Systém řízeného nuceného větrání s elektrickou topnou spirálou
Na základě reakcí čtenářů na příspěvky zabývající se větráním bytových (panelových) domů byl původní článek o rekuperaci tepla rozšířen o variantu nuceného přetlakového větrání s elektrickou topnou spirálou. Jedná se o způsob předehřevu venkovního vzduchu jednotkou s 250 W elektrickou spirálou a ventilátorem, která nasává venkovní vzduch z fasády, předehřeje při určitých podmínkách vzduch topnou spirálou a systémem ventilace distribuuje vzduch do dílčích místností přetlakem.
Celý systém svou podstatou fungující na velice jednoduchém principu je provozován za určitých okrajových podmínek uvedených v článku.
obr. 1: Zjednodušené technické schéma větrací jednotky
Tuto jednotku najdeme na trhu pod názvem Doctor House, Doctor Flat, Flat Master či Elair-F. Námi analyzovaná jednotka byla Elair-F, která má maximální vzduchový výkon 108 m3/h a 250 W topný výkon. Ostatní se liší pouze minimálně - průtokem vzduchu či příkonem elektrické spirály.
obr. 2: Schéma zapojení systému v bytové jednotce.
Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.
Analýza logiky regulace
Prvotním krokem byla analýza klimatických dat a samotné logiky regulace tohoto systému. Výrobce uvádí následující údaje, při kterých je jednotka v provozu, udává jmenovitý vzduchový výkon při určitém rozmezí venkovních teplot a udává sepnutí topné spirály také v teplotním rozmezí viz tab. 1. Pro větší názornost jsou hodnoty zaneseny do grafu na obr. 3, kde jsou stupně regulace naznačeny v hodinovém histogramu teplot.
| Stupeň | Teplota nasávaného vzduchu [°C] | Vzduchový výkon [m3/h] | Příkon ventilátoru [W] | Elektrická spirála v jednotce |
|---|---|---|---|---|
| 1. | pod -10 | 0 | 0 | vypnuto |
| 2. | -10 až 0 | 36 | 11 | zapnuto 250 W |
| 3. | 0 až 12 | 72 | 16 | zapnuto 250 W |
| 4. | 12 až 20 | 108 | 21 | vypnuto |
| 5. | 20 až 26 | 72 | 16 | vypnuto |
| 6. | 26 a vyšší | 36 | 11 | vypnuto |
tab. 1: Údaje výrobce k regulaci jednotky dle venkovní teploty.
Pro analýzu byla použita hodinová referenční klimatická databáze Praha ze softwaru Meteonorm, která byla použita pro dynamické simulace v softwaru IES<VE>. Z této databáze bylo určeno, kolik hodin v roce je v provozu jednotka v daných provozních stupních viz následující obr. 3.
obr. 3: Histogram četnosti teplot v průběhu roku a jednotlivé stupně regulace odpovídající rozmezím teplot v roce [EkoWATT].
Při svém maximálním průtoku vzduchu 108 m3/h je při dávce 25 m3/h na osobu tato jednotka určena pro max. 4 člennou rodinu. Při tomto průtoku je zaručeno, že vnitřní koncentrace CO2 nebude vyšší než 1200 ppm a kvalita vnitřního vzduchu bude dostatečná. Tento průtok je však jen při venkovních teplotách mezi 12°C a 20 °C, což je dle hodinové klimatické databáze Praha cca 2460 hodin, tj. ekvivalent 103 dnů (skutečná hodnota je však v průběhu otopného období nižší - viz níže). Zbytek roku jednotka běží s výkonem 36 m3/h (1440 hodin) až 72 m3/h (4800 hodin). Po zbytek roku, kdy je teplota nižší než -10 °C (cca 60 hodin) je jednotka vypnuta. Tyto počty hodin jsou však uvažovány při plném 24 hodinovém provozu jednotky celý rok, což by bylo vzhledem k obsazenosti interiéru a spotřeby energie zbytečné. V případě, že uvažujeme provoz jednotky, jen když je interiér obsazen dle grafu na obr. 4 a uvažujeme provoz jednotky pouze v otopném období, je skutečný počet hodin v jednotlivých stupních zcela odlišný (nižší) viz tab. 2 a graf na obr. 5.
| Teplota nasávaného vzduchu | Vzduchový výkon | Počet hodin v roce, kdy je splněna teplotní podmínka regulace. uvažovaný provoz jednotky 24 hodin denně po celý rok. |
Počet hodin v roce, kdy je splněna teplotní podmínka regulace. uvažovaný provoz jednotky pouze v přítomnosti osob a pouze v otopné sezóně. |
|---|---|---|---|
| [°C] | [m3/h] | [hodin] = [dnů] | [hodin] |
| pod -10 | 0 | 60 hod. = 2,5 dne | 48 |
| -10 až 0 | 36 | 1360 hod. = 56,5 dnů | 1115 |
| 0 až 12 | 72 | 4088 hod. = 170 dnů | 2783 |
| 12 až 20 | 108 | 2460 hod. = 103 dnů | 273 |
| 20 až 26 | 72 | 711 hod. = 30 dnů | 0 |
| 26 a vyšší | 36 | 77 = 3 dny | 0 |
| Σ 8760 hodin = 365 dnů | Σ 4219 hodin (viz obr. 5) |
tab. 2: Provoz jednotky v hodinách při uvažované logice regulace
obr. 4: Uvažovaná obsazenost interiéru v průběhu dne, týdne (roku).
obr. 5: Počty hodin provozu jednotky v průběhu otopného období a v době přítomnosti osob.
Z výše uvedené analýzy si tedy uděláme obrázek o tom, jak je daná jednotka v provozu v průběhu otopného období.
Tuto analýzu je možné provést pro jakoukoli klimatickou databázi ČR a pro jakýkoli počet lidí a profil obsazenosti.
Uvažujme však dále 4 člennou rodinu v 3+1 a profil obsazenosti interiéru dle obr. 4.
Spotřeba elektrické energie a spotřeba tepla na dohřátí předehřátého vzduchu
Na základě výše popsané analýzy je nyní velmi jednoduché určit spotřebu elektrické energie jednotky (elektrická spirála + ventilátor) v průběhu modelového roku. Následující tabulka shrnuje spotřebu elektřiny pro jednotlivé regulační stupně.
| Teplota nasávaného vzduchu |
Vzduchový výkon |
Počet hodin v roce, kdy je splněna teplotní podmínka regulace. | Spotřeba elektrické energie | |
|---|---|---|---|---|
| [°C] | [m3/h] | [hodin] | ele. spirála [kWh] |
ventilátor [kWh] |
| pod -10 | 0 | 48 | 0 | 0 |
| -10 až 0 | 36 | 1115 | 279 | 12 |
| 0 až 12 | 72 | 2783 | 696 | 44 |
| 12 až 20 | 108 | 273 | 0 | 6 |
| 20 až 26 | 72 | 0 | 0 | 0 |
| 26 a vyšší | 36 | 0 | 0 | 0 |
| Σ 4219 hodin (viz obr. 5) |
Σ 975 kWh (4960 Kč/rok) |
Σ 62 kWh (316 Kč/rok) |
||
tab. 3: Spotřeba elektrické energie na pohon ventilátoru a na provoz elektrické topné spirály vzt jednotky.
Jednoduchým přenásobením spotřeb elektrické energie současnou cenou elektřiny, která se pohybuje pro domácnost cca 5 Kč (sazba D02 včetně jističů), dostaneme roční provozní náklady, které tedy činí 316 Kč/rok na provoz ventilátoru a 4960 Kč/rok na topnou spirálu.
K této spotřebě, respektive k ročním provozním nákladům, je však nutné připočíst ještě spotřebu tepla na dohřátí vzduchu na požadovanou teplotu v místnosti. Jinými slovy vzduch, který má venkovní teplotu 1 °C předehřeje topná spirála o výkonu 250 W a průtoku 72 m3/h na teplotu 11,3 °C. Tento "studený" 11-ti stupňový pocitově nepříjemný vzduch musí otopný systém (radiátor) dohřát na požadovaných 22°C. To tedy představuje dalších nezanedbatelných 260 W energie, které musíme do systému dodat, aby byl dodržen teplotní komfort. Následující graf na obr. 6 ukazuje týdenní simulaci provozu v zimním období. Rozdíl mezi zelenou (teplota za jednotkou-spirálou) a červenou křivkou (požadovaná teplota interiéru s uvažovaným teplotním útlumem na 18 °C přes noc) je tedy nutné dohřát otopným systémem.
obr. 6: Průběhy teplot v typickém zimním týdnu
V celoroční bilanci se jedná o dalších cca 413 kWh dohřátí vzduchu otopným systémem. Roční provozní náklad se pak regionálně liší podle ceny tepla, která může být od 1,2 Kč/kWh do 3,6 Kč/kWh. Při průměrné ceně tepla z CZT pro panelové domy kolem 500 Kč/GJ tj. 1,8 Kč/kWh je cena za roční provoz dalších 740 Kč/rok (od 496 Kč/rok do 1487 Kč/rok podle regionu).
Ve výše uvedeném výpočtu však není uvažovaná infiltrace ani výměna vzduchu daná otevíráním oken. Jak již bylo řečeno výše, množství vzduchu dodané jednotkou nepokryje požadavek pro 4 člennou rodinu (požadavek je dodržen pouze v režimu 108 m3/h, což je pouze 273 hodin v roce). Po zbytek roku tj. 3898 hod. (viz tab. 3) je dávka vzduchu nižší (36/4 = 9 m3/h na osobu nebo 72/4 =18 m3/h na osobu). V těchto dnech tedy koncentrace CO2 stoupne nad hygienickou mez 1200 ppm (viz graf na obr. 7) a pocitově lidé budou díky této nedostatečné dávce vzduchu otevírat okna jako by systém neexistoval a opět se nám navyšuje spotřeba tepla na větrání. Tuto skutečnost však v dalších analýzách zanedbejme (budeme předpokládat, že jednotka zajistí takovou kvalitu vnitřního vzduchu, že otvírat okna nebude takřka potřeba). Z grafu na obr. 7 je beztak patrné, že díky nedostatečné dávce vzduchu je koncentrace větší než 2000 ppm, při které lidé dle měřených statistik okna otevírají. Z celkového otopného období je po dobu cca 280 hodin v době provozu jednotky a přítomnosti osob v bytě hodnota koncentrace CO2 nad touto mezí 2000 ppm .
obr. 7: Průběh koncentrace CO2 v typickém zimním týdnu při uvažované obsazenosti a množství vzduchu dodané jednotkou.
Další položkou u větrání je samotná infiltrace okny, která je v době běhu přetlakového systému takřka nulová (záleží na tlakových poměrech a množství přiváděného vzduchu, což může být bráno jako jedna z výhod tohoto systému). Avšak v době, kdy jednotka neběží, proudí do interiéru spárami ještě venkovní vzduch, který musíme dohřát otopným systémem.
Existují tedy dvě možné varianty - nová a stará okna. V případě, že si jednotku koupíme do bytu, kde jsou stále stará netěsná okna, tak k položce spotřeby tepla na větrání musíme připočítat hodnotu 279 kWh/rok na infiltraci. V případě nových těsných oken je tato položka takřka nulová a činí 6 kWh/rok.
Následující tabulka shrnuje veškeré energetické spotřeby pro obě varianty oken a celkové roční provozní náklady.
| Spotřeba elektřiny na topnou spirálu [kWh/rok] | Spotřeba elektřiny na pohon ventilátoru [kWh/rok] | Spotřeba tepla na dohřátí vzduchu radiátorem [kWh/rok] | Spotřeba tepla na infiltraci [kWh/rok] | Roční provozní náklady na větrání při ceně elo. 5 Kč/kWh a tepla 500 Kč/GJ | |
|---|---|---|---|---|---|
| VAR 5a: elo, stará okna | 975 | 62 | 413 | 279 | 6522 Kč/rok |
| VAR 5b: elo, nová okna | 975 | 62 | 413 | 6 | 6032 Kč/rok |
tab. 4: Souhrn ročních spotřeb energií pro systém s topnou spirálou.
Porovnání s ostatními variantami větrání shrnuje následující graf na obr. 8.
obr. 8: Porovnání ročních provozních nákladů několika variant větrání (ostatní varianty jsou posuzovány v článku zde).
Berme stranou přirozené větrání okny v levé části grafu, které považujeme za nedostačující v panelových domech a nekomfortní. V porovnání s rekuperační jednotkou, která má také nezanedbatelnou spotřebu elektrické energie na pohon dvou ventilátorů, je větrání s elektrickou topnou spirálou v ročních nákladech řádově 2x až 3x dražší. Opět tedy vidíme, že komfort nás ročně něco stojí. V porovnání s rekuperační jednotkou je však tento systém investičně řádově 3x levnější. V následujícím odstavci je tedy provedena ekonomická návratnost opatření.
Vyplatí se tedy investovat do tohoto opatření?
Cena jednotky s topnou spirálou se v současné době pohybuje na trhu kolem 10 500 Kč s 20% DPH bez potrubí, nasávací mřížky na fasádu, koncových elementů (vyústek či talířových ventilů). V případě, že bychom připočetli tyto výše uvedené položky, práci za vrtání přívodního otvoru do železobetonového panelu, práci a materiál na sádrokartonové podhledy, které zakrývají dané potrubí, může se cena vyšplhat na cca 15 až 20 000 Kč za toto opatření.
Co se týče roční údržby, tak se jedná pouze o výměnu prachových filtrů v jednotce v hodnotě cca 300 Kč/rok. Údržba je shodná např. s rekuperační jednotkou.
Tento systém je tedy v porovnání s levnější variantou rekuperace (ventilátory bez regulace otáček) 3x levnější, ale ročně z peněženky musíme dát 2x více než v případě větrání s rekuperací tepla (viz obr. 8).
Z pohledu vnitřní kvality vzduchu je na tom také hůře než rekuperace vzduchu. Zatímco rekuperace udržující stálou hladinu vnitřní koncentrace CO2 na hladině 1200 ppm, tento systém jak bylo v článku popsáno, tuto úroveň není schopen celoročně (v otopné sezoně) udržet.
Co se týče vlhkosti vzduchu, tak systém vzduch v zimních měsících vysušuje a relativní vlhkost se tak může pohybovat řádově kolem 10-20 %.
Závěr
Tento systém větrání je jednoznačně nejhorší alternativou větrání za cenu nepatrně nižších pořizovacích nákladů. Jednotka sama o sobě nedokáže dostatečně ohřát přiváděný vzduch na teplotu v místnosti a přiváděná teplota může mít až 11 C, což nejen zhoršuje vnitřní mikroklima, ale na požadovaných 22 C musíme vzduch beztak dohřát otopným systémem. Jednotka také nezajistí potřebné provětrání interiéru a koncentrace je i tak nad hranicí 1200 ppm.
Závěrem tedy je, že levnější je manuálně větrat okny a v případě, že chceme zajistit požadovaný komfort "automaticky", vyjde v konečném důsledku levnější instalace rekuperační jednotky, která se nám oproti tomuto systému vrátí za 5-6 let svého provozu. Tedy v případě, že si již konkrétní uživatel zakoupil tuto jednotku, tak při výměně této jednotky za jednotku s rekuperací tepla se mu tato investice vrátí za maximálně 6 let. V případě stále rostoucí ceny elektrické energie pak může být návratnost rekuperační jednotky pod 5 let.
Literatura:
[1] Kotek, P., Vogel, P., Beranovský, J., Macholda F. (2010): Rekuperace tepla v panelovém domě - ano či ne? Ekonomika a vnitřní mikroklima řízeného větrání s rekuperací tepla [Online]. Ekowatt, Centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie. (článek zde)
[2] Beranovský, J., Kotek, P., Vogel, P., Antonín, J., Macholda F. (2010): Větrání panelových domů - opatření a jejich limity [Online]. Ekowatt, Centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie. (článek zde)
[3] Vymětalík, V., Zwiener, V. (2007): Vliv výměny oken v panelovém domě na sledované parametry vnitřního prostředí v souvislosti s výměnou vzduchu v obytném prostoru. Dektime, 7/2007, 36-42.
[4] Doležílková, H. (2006): Bytové větrání ve vztahu k produkci CO2, vlhkosti a škodlivin (II) [Online]. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra TZB. (článek zde)
[5] Paleček, S. (2007): Blower door test průvzdušnosti budov - detekční metody. RADION - Mgr. Stanislav Paleček. [Online]. (článek zde)
This article extends the article "Ventilation with heat recovery in flat - yes or no?" and it is concerning with pressure forced ventilation with electric heating coil. This unit includes ventilator, which sucks the external air in from the façade. The electric heating coil with the power of 250 W preheats the external air which is distributed to the rooms with the air distribution system. Nowadays there are a lot of these units on the market that differ in air volume and heating power. The aim of this article is to investigate whether this unit ensures good air quality and what are the costs. The paper was made within the framework of the R&D project performed by the experts in the company EkoWATT, Czech Republic. R&D project VAV-SP-3g5-221-07 is supported by the Ministry of Environment.