Reklama

Optimální volby zdroje - porovnání nákladů na vytápění - I díl

Ing. Petra Šustová

Recenzovaný

Článek vychází z diplomové práce, která měla za cíl porovnat výši investičních a provozních nákladů na základě skutečného zpracování různých variant prováděcího projektu vytápění rodinného domu. Pro porovnání efektivnosti jednotlivých investic byly použity čtyři kritéria hodnocení. Článek je určen budoucím investorům.

Reklama

1. Úvod

Rodinný dům, pro který byly zpracovány varianty různých druhů vytápění a přípravy TV (po kliknutí se obrázek zvětší)

1.1 Cíl diplomové práce

Cílem diplomové práce je porovnání investičních a provozních nákladů:

různých typů vytápění
různých zdrojů tepla

s ohledem na roční potřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody.

V rozsahu práce je vyčíslena reálná doba návratnosti jednotlivých investic. Pro jasné posouzení rozdílu jednotlivých variant řešení je použit jeden typ rodinného domu. Výsledky zhodnocení mohou být využity jako podklad pro nalezení optimální formy řešení vytápění a přípravy teplé vody (dále jen TV) při stavbě či rekonstrukci rodinného domu.

1.2 Hodnocené systémy

otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla kotel na zemní plyn
otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla TČ země/voda
otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla TČ vzduch/voda
teplovzdušné vytápění - zdroj tepla integrovaný zásobník IZT

U těchto čtyř výše uvedených systémů je vypočítána tepelná ztráta a potřeba tepla na vytápění a přípravu TV, vypracovány jednotlivé prováděcí projekty, sestaven výkaz výměr a oceněn dle jednotlivých katalogů, vypočítána cena za energie pro pokrytí potřeby tepla pro vytápění a přípravu TV.

otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla elektrokotel
teplovzdušné vytápění - zdroj tepla kotel na zemní plyn

Pro tyto dvě výše uvedené soustavy nejsou zpracovány jednotlivé projekty, jsou u nich provedeny pouze změny ve výkazech výměr a vypočítána cena za energie.

U otopné soustavy je kotel na zemní plyn nahrazen elektrokotlem. U teplovzdušného vytápění je IZT nahrazen kotlem na zemní plyn.

V obou případech byly nahrazeny pouze komponenty důležité pro tuto záměnu. Například u soustavy vytápěné elektokotlem není potřeba komín narozdíl od kotle na zemní plyn. Ostatní prvky soustavy zůstaly zachovány. (např. otopná tělesa, rozvody, armatury, atd.).

1.3 Referenční investice

Obsahem diplomové práce je porovnání a zhodnocení jednotlivých investic vzhledem k určité referenční investici. Za referenční jsou zvoleny dvě investice.

Otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla kotel na zemní plyn
Otopná soustava s otopnými tělesy - zdroj tepla elektrokotel

Důvodem pro zvolení dvou referenčních investic je vysoký rozdíl v cenách mezi zemním plynem a elektrickou energií.

2. Teoretická část

2.1 Popis nejběžněji používaných systémů pro vytápění a přípravu TV

2.1.1 Zdroj tepla - kotel na zemní plyn

Je jedním z nejrozšířenějších zdrojů tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Zdrojem energie je zemní plyn, jenž je vyčerpatelný a v budoucnu bude muset být ve větší míře nahrazen jiným zdrojem. Další nevýhodou zemního plynu je, že ČR je plně závislá na jeho dovozu. Zemní plyn je k nám importován převážně z Ruska a v menším měřítku také z Norska. Dá se tedy předpokládat postupné zvyšování cen tohoto druhu energie pro spotřebitele a tím i nárůst provozních nákladů.

Výhody

poměrně nízké pořizovací náklady
bezobslužný, tichý a nenáročný provoz
nenáročná údržba
dobrá regulovatelnost, vysoká účinnost systému (klasické okolo 90 %, kondenzační až 110 %)
možnost napojení téměř do jakéhokoliv topného systému
spalování zemního plynu je šetrné k životnímu prostředí

Nevýhody

trvale rostoucí cena plynu
nutnost rozvodu plynu v dané lokalitě
závislost ČR na dodávkách plynu ze zahraničí

2.1.2 Zdroj tepla - tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlo odebírá větší část energie pro vytápění a přípravu teplé vody z okolního prostředí a přibližně jednu třetinu svého výkonu, v závislosti na topném faktoru, spotřebovává ve formě elektrické energie pro pohon kompresoru. Lze jej tedy z hlediska ekonomického považovat za úsporný zdroj. Ekonomickým hlediskem je myšleno snížení potřeby energie a tím i nákladů za odebranou elektřinu.

Tepelné čerpadlo je obvykle projektováno na 60 až 80 % celkových tepelných ztrát objektu. Při projektování by měl být kladen důraz na akumulaci tepla. Důvodem je ochrana kompresoru proti častému spínání vlivem výkyvů venkovních teplot v průběhu otopného období. Největší potřeba akumulace nastává v přechodovém období, kdy rozdíly mezi denní a noční teplotou jsou velmi výrazné. Pro pokrytí zbývajících tepelných ztrát je používán bivalentní zdroj energie, nejčastěji elektrokotel.

Výhody

nízké provozní náklady, bezobslužný provoz
dobrá regulovatelnost
úspora za elektrickou energii pro ostatní spotřebu v době nízkého tarifu
minimální nároky na údržbu systému
není potřeba komín

Nevýhody

vysoké pořizovací náklady
zvláštní požadavky na topný systém (nízká teplota topné vody vyžaduje použití větších otopných těles)
podle druhu primárního zdroje požadavky na zábor venkovního prostředí (vrty, plošné kolektory)

Princip tepelného čerpadla země / voda

Tepelné čerpadlo (dále jen TČ) využívá teplo prostřednictvím zemního kolektoru. Geotermální teplo obsažené v zemi je využíváno nepřímo. Zdrojem tepla je zemní kolektor, odkud je teplo cirkulačním okruhem vedeno do výparníku TČ pomocí teplonosné kapaliny. V systému se používá nemrznoucí a ekologicky nezávadná kapalina. Cirkulační kapalina se ve výparníku TČ ochlazuje a v zemním kolektoru znova ohřívá geotermálním teplem.

Zemní kolektory mohou být v zemi uloženy buď horizontálně (1,5 až 2 m pod povrchem) nebo vertikálně (hlubinný vrt). Vertikálně uložený kolektor [použitý v projektu této DP] má vyšší energetický efekt než horizontálně uložený kolektor. Vrt může dosahovat hloubky až 130 m, hloubka vrtu je úměrná výkonu TČ.

Odběr tepla v otopném období ze zemního masívu má za následek snižování teploty zeminy v okolí kolektoru. Vrstva zeminy zasažená snížením teploty může dosahovat na konci otopného období až několik metrů. Z tohoto důvodu se nedoporučuje celoroční provoz TČ. V měsících mimo otopné období je nutná regenerace vrstvy půdy do původního teplotního stavu. Kdyby nebyla tato regenerace dodržena, mohlo by dojít k narušení tepelné rovnováhy prostředí v okolí zemního kolektoru. Tato změna by mohla být i nevratná.

Hlubinný vrt může nepříznivě ovlivňovat stav podzemních vod , a proto musí být proveden odborně a jeho umístění a hloubku musí schválit odborná instituce.

Princip tepelného čerpadla vzduch / voda

Tepelné čerpadlo vzduch voda odebírá teplo ze vzduchu a na rozdíl od TČ využívajících teplo ze země nebo z vody nenarušuje teplotní rovnováhu v okolí. Teplo odebírané ze vzduchu je využíváno přímo, tzv. venkovní vzduch proudí přímo do výparníku TČ.

Teplota vzduchu se v průběhu otopného období výrazně mění a s ní se mění i topný faktor a topný výkon TČ. Při nízkých teplotách klesá topný faktor a tím se snižuje i topný výkon pro krytí tepelných ztrát objektu.

2.1.3 Zdroj tepla - teplovzdušné vytápění

Patří mezi nové a stále se rozvíjející způsoby vytápění. Jedním z nejvýznamnějších využití je v oblasti výstavby nízkoenergetických a pasivních domů.

Za nízkoenergetický dům je považován objekt s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 50 [kWh/m².a] a používající velmi účinnou otopnou soustavu.

Za pasivní dům je považován objekt jehož roční potřeba tepla nepřesahuje 15 [kWh/m².a] a potřeba primární energie nepřekračuje hodnotu 120 [kWh/m².a].

Teplovzdušné vytápění nám zajišťuje nejenom krytí tepelných ztrát, ale i doporučenou intenzitu výměny vzduchu v objektu.

Zařízení pro teplovzdušné vytápění jsou v současné době kompaktní jednotky, které je možné instalovat uvnitř objektu. Rozvody vzduchu do jednotlivých místností mohou vést běžnými stavebními konstrukcemi. Pro úsporu energie lze použít rekuperaci (zpětné získávání tepla).

Výhody

zajištění doporučené intenzity výměny vzduchu
možnost rekuperace tepla odpadním vzduchem z místnosti
náhrada otopné soustavy pro krytí tepelných ztrát

Nevýhody

vysoké pořizovací náklady (jednotka a rozvody)
hlučnost zařízení
spotřeba elektrické energie pro pohon ventilátorů
při rekonstrukci objektu značné zásahy do stavební konstrukce

Princip a funkce teplovzdušného vytápění

Cirkulační ohřev vzduchu - cirkulační vzduch se v jednotce filtruje a ohřívá na teplovodním registru a pomaloběžným ventilátorem se dopravuje do jednotlivých vyústek obytných místností. Instalace rozvodů vzduchu v objektu se pokládá do horních izolačních vrstev podlahové konstrukce.
Ohřev čerstvého vzduchu - předehřev čerstvého vzduchu je proveden na rekuperačním výměníku, dále se mísí s oběhovým vzduchem odsávaným z obytných místností. Poté je přiveden na teplovodní registr, kde se dohřeje na požadovanou teplotu. Na deskovém výměníku umístěném v jednotce předá odpadní vzduch čerstvému vzduchu téměř veškeré své teplo (v závislosti na účinnosti rekuperace).
Odsávání odpadního vzduchu - je určeno pro samostatné odsávání z WC, koupelen, kuchyní a dále prostor, kde je cirkulace vzduchu zakázaná. Odpadní vzduch je veden přes rekuperační výměník a filtr ven do venkovního prostředí.

Energetické výhody teplovzdušného vytápění

úspora až 90 % nákladů na větrání
možnost integrace solárních vzduchových kolektorů
možnost instalace zemního potrubního registru, kde se přiváděný větrací a vytápěcí vzduch v zimě účinně předehřívá a v létě ochlazuje
využití všech energetických zisků v objektu z provozu domácnosti pro předehřev větracího vzduchu
využití solárních zisků z osluněných oken a přenos tepla do ostatních neosluněných částí objektu

3. Výpočtová část

3.1 Charakteristika objektu

Posuzovaným domem je rodinný dům v obci Okrouhlo (Středočeský kraj). Jedná se o dvoupodlažní, nepodsklepený rodinný dům.

Obvodové zdivo je z cihlových kvádrů Porotherm tloušťky 44 cm, je opatřeno vápeno-cementovou omítkou tloušťky 10 mm. Jako tepelná izolace pro obvodové zdivo garáže tloušťky 25 cm bude použit polystyren o tloušťce 10 cm. Vnitřní nosné zdi jsou tvořeny z cihlových kvádrů Porotherm tloušťky 24 cm. Ostatní vnitřní zdi jsou tvořeny spojením sádrokartonu a příček Porotherm tloušťky 10 cm.

Střecha je sedlová, tepelně izolovaná se sklonem 30°. Střešní krytinu tvoří betonové tašky BRAMAC.

Okna jsou zasklena dvojsklem, vnitřní dveře jsou bez prahů.

Hodnoty součinitele prostupu tepla prvků stavební konstrukce jsou nižší než hodnoty doporučené v normě ČSN 73 05 40.

obvodové zdivo U_k = 0,37 [W/m².K] (Porotherm 44 P+D)
obvodové zdivo U_k = 0,30 [W/m².K] (Porotherm 24 P+D)
podlaha 1.N.P. U_k = 0,53 [W/m².K]
střecha U_k = 0,16 [W/m².K]
okna U_k = 1,60 [W/m².K]
dveře U_k = 2,60 [W/m².K]

Výpočtové pomůcky na webu
Prostup tepla vícevrstvou konstrukcí a průběh teplot v konstrukci

3.2 Metodika výpočtu tepelného výkonu podle ČSN EN 12 831

Norma slouží jako podklad pro dimenzování otopných soustav.

3.2.1 Postup výpočtu

stanovení výpočtové venkovní teploty a průměrné roční venkovní teploty
stanovení stavu každého prostoru (vytápěný/nevytápěný) a hodnot pro výpočtovou vnitřní teplotu vytápěných místností
určení rozměrových a tepelných vlastností pro všechny stavební části
výpočet součinitele návrhových tepelných ztrát prostupem a násobení návrhovým rozdílem teplot - získání tepelných ztrát prostupem vytápěného prostoru
výpočet součinitele návrhových tepelných ztrát větráním a násobení návrhovým rozdílem teplot - získání tepelných ztrát větráním vytápěného prostoru
stanovení celkové návrhové tepelné ztráty součtem tepelných ztrát prostupem a větráním

Podrobný postup výpočtu tepelného výkonu viz příloha 1.

3.3 Metodika výpočtu potřeby tepla pro vytápění

Často v praxi používanou metodou pro výpočet potřeby tepla pro vytápění je denostupňová metoda. Je vhodná pro klasické způsoby vytápění (např. u soustav, kde zdrojem tepla je kotel na zemní plyn). Z důvodu výpočtu potřeby tepla pro tepelná čerpadla, je v rámci této diplomové práce zvolena jednotná metoda výpočtu potřeby tepla pro všechny použité systémy vytápění. Jedná se o metematicko - grafickou metodu tzv. metodu křivek četnosti teplot. Důvodem pro její použití je, že pomocí křivek četnosti teplot je možné charakterizovat okamžitý provoz tepelného čerpadla (tzv. výkon, příkon a topný faktor) v závislosti na změnách venkovní teploty a tepelných ztrátách objektu pro danou venkovní teplotu v průběhu otopného období.

PZP KOMPLET - ZEFYR SPLIT 06 SC
Teplota t_e	Výkon TČ	Příkon TČ	Topný faktor
[°C]	[W]	[W]	[-]
-15	3400	1900	1,8
-7	4300	2100	2,1
0	5300	2200	2,4
5	6000	2300	2,6
15	7600	2500	3,1

PZP KOMPLET - TERRA 05 G
Teplota t_e	Výkon TČ	Příkon TČ	Topný faktor
0	5200	1700	3,0

Tab. 1 - Přehled topných faktorů pro tepelná čerpadla v závislosti na venkovní teplotě

	Kotel na zemní plyn		Elektrokotel	TČ vzduch/voda	TČ země/voda	Teplovzd. vyt. - zdroj tepla IZT 925	Teplovzd. vyt. - zdroj tepla kotel na zemní plyn
Způsob výpočtu	Den.	Křivka četností teplot (diagram roční potřeby tepla)
Jednotky	[kWh/rok]
Potř. tepla pro vytápění	18202	19121	19121	7409	6308	17628	15511
Potř. tepla pro přípravu TV	5856	5856	5856	2053	1952	5856	5856
Potř. en. pro čerp. a vent.	-	351	-	378	378	378	2522
Potř. tepla celkem *	24058	27500	25103	9840	8638	23862	25747

Tab. 2 - Potřeba tepla pro vytápění a přípravu TV
* vč. účinnosti zdroje tepla

Graf 1 - Křivka četnosti teplot

Graf 2 - Potřeba tepla pro vytápění a přípravu TV - zdroj tepla kotel na ZP

3.3.1 Postup výpočtu potřeby tepla pro vytápění

určení délky otopného období Δ_max (ČSN EN 12831)
stanovení měrného počtu dní a měrné teploty [výpočet viz. přiložené CD]
výpočet venkovní teploty pro jednotlivé dny otopného období
výpočet tepelné ztráty v závislosti na změně venkovní teploty v průběhu otopného období
stanovení celkové potřeby tepla pro vytápění

Dále jen pro tepelná čerpadla:

výpočet výkonu zdroje tepla při venkovní teplotě v průběhu celého otopného období
stanovení výkonu doplňkového zdroje tepla
přepočet topného faktoru
stanovení příkonu tepelného čerpadla

3.3.2 Vstupní údaje

počet dnů otopného období
vnitřní výpočtová teplota
venkovní výpočtová teplota
teplota na počátku otopného období
tepelná ztráta objektu při t_ev
výkonové charakteristiky TČ

3.3.3 Potřeba tepla pro vytápění

Měrný počet dní ν [-] se stanoví:

Měrná teplota [-] se vypočte:

kde

M_dnů	počet dnů na které se M stanovuje [den]
M_{otopné období}	délka otopného období [den]

Stanovení venkovní teploty t_e [°C] pro jednotlivé dny v průběhu otopného období se vypočte:

kde

t_e	venkovní teplota [°C]
t_ez	výpočtová venkovní teplota [°C]
t_ev	venkovní teplota na počátku otopného období [°C]

Hodnota tepelné ztráty Q_i [W] pro jednotlivé dny otopného období se vypočte ze vztahu:

kde

Q_max	tepelná ztráta při výpočtové venkovní teplotě [W]
t_i	průměrná vnitřní teplota [°C]

Celková potřeba tepla H_vyt,c [Wh] pro vytápění se stanoví ze vztahu:

Dodatek k výpočtu potřeby tepla na vytápění pro tepelná čerpadla

Výkon tepelného čerpadla v závislosti na venkovní teplotě se stanoví graficko - početní metodou.

stanoví se závislost výkonu tepelného čerpadla na teplotě venkovního vzduchu v průběhu otopného období (data poskytuje výrobce TČ)
určí se rovnice spojnice trendu a z jejích konstant a dané venkovní teploty se stanoví výkon tepelného čerpadla pro krytí tepelných ztrát

Výkon krytý doplňkovým zdrojem se stanoví jako rozdíl mezi celkovou tepelnou ztrátou objektu a tepelnou ztrátou krytou tepelným čerpadlem.

Topný faktor měnící se v průběhu otopného období v závislosti na venkovní teplotě se stanoví podobně jako výkon tepelného čerpadla graficko - početní metodou.

stanoví se závislost topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu v průběhu otopného období (data poskytuje výrobce TČ)
určí se rovnice spojnice trendu a z její konstant a dané venkovní teploty se stanoví skutečný topný faktor

Příkon P_i [W] tepelného čerpadla se vypočte:

kde

Q_TČ,i

výkon tepelného čerpadla [W]

3.4 Metodika výpočtu potřeby tepla na přípravu teplé vody

Výkon Q_TV,i [W] potřebný na přípravu TV vypočítáme ze vztahu:

kde

H`_TV,os	potřeba tepla pro TV na 1 osobu a den [kWh/os.,den]
n	počet osob [os]

Pro výpočet příkonu tepelných čerpadel pro přípravu TV je uvažován průměrný roční topný faktor.

Potřeba tepla celkem H_TV,c [Wh] se stanoví:

Použitá literatura

[L1] ATREA. Jablonec nad Nisou. Obecný popis teplovzdušného vytápění - projekční podklad. 2004. 20 s.
[L2] ATREA. Jablonec nad Nisou. Systém teplovzdušného vytápění a větrání rodinných domů s rekuperací tepla - projekční podklad. 2006. 32 s.
[L3] BROŽ,K., ŠOUREK,B.: Alternativní zdroje energie. 1. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. 213 s. ISBN 80-01-02802-X
[L4] BROŽ,K.: Vytápění. 2. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2002. 205 s. ISBN 80-01-02536
[L5] BROŽ,K.: Zásobování teplem. 2. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. 217 s. ISBN 80-01-01587-4
[L6] FRIO. Potštejn. Cenová nabídka strojovny s tepelným čerpadlem vzduch/voda - cenový podklad. 2006. 6 s.
[L7] FRIO. Potštejn. Cenová nabídka strojovny s tepelným čerpadlem země/voda cenový podklad. 2006. 6 s.
[L8] KORADO a.s.. Česká Třebová. Koralux speciální otopná tělesa - projekční podklad. 2005. 26 s.
[L9] KORADO a.s.. Česká Třebová. Radik desková otopná tělesa - projekční podklad. 2005. 58 s.
[L10] NOVÝ,R., a kol.: Technika prostředí. 1. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. 265 s.
[L11] PTÁČEK - VELKOOBCHOD a.s.. Modřice. Ceník topení - podklad pro oceňování. 2005. 361 s.
[L12] PZP KOMPLET a.s.. Dobruška. Katalog - tepelná čerpadla pro vytápění a ohřev vody - projekční podklad. 2006. 10 s.
[L13] ÚRS Praha a.s.: Katalog popisů a směrných cen montáží technologických zařízení. 2006 vydání. Praha: Vydavatelství ÚRS Praha a.s., 2006. 275 s. ISBN 80-7369-041-1

Normy, vyhlášky a předpisy

[L14] ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění. ČNI 1993.
[L15] ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování. ČNI 1993.
[L16] ČSN EN 12 831 Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu. ČNI 2004.
[L17] ČSN EN ISO 13 370 Tepelné chování budov - Přenos tepla zeminou - Výpočtové metody. ČNI 1999.