Rekuperace tepla v panelovém domě - ano či ne?
Ekonomika a vnitřní mikroklima řízeného větrání s rekuperací tepla
Větrání či výměna vzduchu je základním opatřením k zajištění potřebné kvality vnitřního prostředí budov. V současné době je potřeba se starat o kvalitu vnitřního vzduchu víc než dříve, neboť u velké části nových a rekonstruovaných staveb dochází k dokonalému utěsnění obvodového pláště - zejména oken. Z hlediska tvorby interního mikroklimatu je velmi podstatné větrání s dostatečným přívodem čerstvého vzduchu.
Při absenci účinného větrání se lidskou aktivitou zvyšuje vlhkost, roste koncentrace CO2 a kvalita vzduchu se rychle zhoršuje. Výměna vzduchu je však zároveň energeticky náročná, proto je potřeba hledat optimální řešení mezi hygienickými parametry a spotřebou energií respektive její cenou. Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.
Úvod
V minulém článku o výměně vzduchu a koncentracích škodlivin v panelových domech bylo řečeno, že jedním z mála opatření, které řeší problematiku komplexně, je nucené rovnotlaké větrání s centrálním nebo lokálním přívodem vzduchu a zpětným získáváním tepla z odpadního vzduchu, tedy rekuperace. Tento článek se zabývá čistě ekonomikou tohoto opatření bez ohledu na ostatní problematiku s instalací tohoto opatření spojenou.
Spotřeba energie a náklady v běžném panelovém bytě 3+1
Pro energeticko-ekonomický výpočet byl uvažován modelový případ panelového bytu o velikosti 3+1 se 4 osobami. Pro níže popsané okrajové podmínky byl proveden dynamický výpočet větrání v softwaru IES<VE>, který v nastaveném hodinovém kroku simuluje pseudoreálný stav větrání interiéru. Nastavená logika větrání v aplikaci IES<VE>, se kterou lidé otevírají okna v zimních měsících, reprezentuje současný běžný stav, kdy se v podstatě větrá minimálně. V rámci výzkumného úkolu bylo měřeno několik vzorků domácností, ze kterých vychází průměrná hodnota koncentrace CO2 kolem 2000 ppm ve dne a 3000 ppm v nočních hodinách. Byly zvoleny tři reprezentativní varianty provozu, jednotlivé varianty jsou popsány v Tabulce 1.
| varianta | typ oken před instalací rekuperace (výchozí stavy vůči kterým se počítá ekonomická návratnost opatření) | při jak vysoké hranici CO2 otevírají lidé okna |
|---|---|---|
| VAR 1 | stará netěsná s vysokou infiltrací, manuální větrání | 2000 ppm přes den když jsou doma, 3000 ppm v noci (viz Tabulka 2) |
| VAR 2 | nová těsná s nízkou infiltrací, manuální větrání | 2000 ppm přes den když jsou doma, 3000 ppm v noci (viz Tabulka 2) |
| VAR 3 | nová těsná s nízkou infiltrací, manuální větrání | 1200 ppm (ideální varianta pravděpodobně nerealistická, kdy lidé otevírají okna každých 30min.) |
Tabulka 1: Uvažované výchozí varianty pro výpočet ekonomické návratnosti rekuperace
Vůči těmto výchozím stavům v Tabulce 1 byla vyhodnocena ekonomická návratnost zvoleného opatření. Dále byla řešena varianta nuceného větrání s rekuperací tepla deskovým výměníkem. Pro tuto variantu se předpokládá osazení těsných oken a manuální větrání není v zimě uvažováno. Následující schéma ukazuje postup celého výpočtu.
Schéma 1: Popis vstupních a výstupních dat dynamického modelu větrání s rekuperací tepla.
| čas | manuální otevírání oken v otopném období | manuální otevírání oken mimo otopnou přestávku |
|---|---|---|
| 0:00 | CO2>3000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>2000) |
| 2:00 | CO2>3000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>2000) |
| 2:00 | ||
| 7:30 | CO2>2000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>1200) |
| 8:30 | CO2>2000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>1200) |
| 8:30 | 0 | 0 |
| 17:30 | 0 | 0 |
| 17:30 | CO2>2000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>1200) |
| 23:00 | CO2>2000 | (ti>24)&(te>10) or (CO2>1200) |
| 23:00 | 0 | 0 |
| 24:00:00 | 0 | 0 |
Tabulka 2: Logika uvažovaného způsobu manuálního otevírání oken simulovaná v softwaru IES<VE>.
Stará netěsná okna (VAR 1) Σ Evět = 1780 kWh/rok |
Nová těsná okna (VAR 2) Σ Evět = 740 kWh/rok |
Obrázek 1: Potřeba tepla na větrání. Dva uvažované počáteční stavy.
Výsledky energetické náročnosti na větrání pro výchozí varianty se starými okny a s novými okny ukazují grafy na Obrázku 1. V případě starých netěsných oken je energetická náročnost 1780 kWh/rok, uvažujeme-li cenu tepla cca 500 Kč/GJ jsou pak náklady 3200 Kč/rok. V případě, že uvažujeme jako výchozí stav byt s novými okny, zaplatíme za větrání ročně cca 1100 Kč/rok. V některých regionech se cena tepla blíží hranici 1000 Kč/GJ a roční náklady na větrání jsou potom 6400 Kč/rok resp. 2200 Kč/rok.
Dále bylo řešení provedeno pro nuceně větraný byt s dvěma variantami rekuperační jednotky. Provoz větrání je uvažován tak, aby v době přítomnosti osob byla zajištěna koncentrace CO2 na hladinu 1200 ppm.
Pro ekonomický model investice do rekuperační jednotky uvažujeme diskont ve výši 3% a meziroční růst cen energií a ostatních nákladů také ve výši 3%. Za investiční náklady považujeme cenu rekuperační jednotky včetně práce a repase stoupaček 55 000 Kč v provedení bez regulace otáček ventilátorů a 75 000 Kč v provedení s regulací otáček ventilátorů. Rekuperační jednotka obsahuje 2 ventilátory, přívodní a odvodní, každý o příkonu cca 80 W, resp. 0-50 W u druhé varianty (příkon ventilátoru v 10 stupních dle objemového množství). Dále uvažujeme reinvestice každých 10 let na výměnu motorů vzduchotechniky ve výši 2x4000 Kč.
2x ventilátory bez regulace otáček 428 kWh/rok |
2x ventilátory s regulací otáček 287 kWh/rok |
Obrázek 2: Spotřeba elektrické energie v hodinovém kroku pro dva typy ventilátorů.
| varianta | spotřeba tepla na větrání (kWh/rok) | spotřeba elektrické energie na pohon obou ventilátorů (kWh/rok) |
|---|---|---|
| VAR 1 | 1780 | - |
| VAR 2 | 740 | - |
| VAR 3 | 1930 | - |
| po instalaci rekuperace | 613 | bez regulace otáček: 428 s regulací otáček: 287 |
Tabulka 3: Dílčí spotřeby energii pro posuzované varianty.
Provozní náklady se skládají jednak z ceny elektřiny potřebné na provoz rekuperační jednotky a jednak z energie spotřebované na dohřívání již zrekuperovaného vzduchu na potřebnou teplotu pro teplovzdušné větrání. Spotřeba jednotky typu bez regulace otáček je v modelovém případě 428 kWh/rok a jednotky s regulací otáček 287 kWh/rok.
Dále uvažujeme provozní náklady ve výši max. 150 Kč/rok za nutný nákup vyměnitelných filtrů u obou variant. Spotřeba energie na dohřev přiváděného vzduchu je závislá na způsobu provozu bytu, způsobech větrání a na kvalitě oken, viz výše uvedené profily. Peněžní vyjádření se potom odvíjí od ceny tepla v dané lokalitě a tarifu elektřiny. V následujícím textu jsou porovnány některé nejdůležitější modely. Účinnost rekuperace je uvažována ve výši 78%.
Ekonomická analýza je postavená na stanovení velikosti úspory energie v peněžních jednotkách proti stávajícímu stavu. Pokud je velikost takto stanovené úspory kladná, jsou výnosy vyšší než provozní náklady a dochází k ekonomickému vracení investice.
Varianty s nuceným větráním a rekuperací tepla jsou porovnávány s třemi variantami přirozeného větrání okny prezentovanými na začátku článku.
Výsledky 1 - Výchozí stav: stará okna, manuální větrání
Uvažujme výchozí stav v panelovém domě se starými netěsnými okny (VAR1). Vysoká infiltrace je doplňována manuálním větrání okny, předpokládaný reálný stav je popsán v Tabulce 2. V tomto případě vychází energetická úspora 1166 kWh/rok, tj 4,2 GJ na jednu bytovou jednotku.
 Obrázek 3: Prostá návratnost v závislosti na ceně tepla při průměrné ceně elektřiny 5,09 Kč/kWh. |
 Obrázek 4: Prostá návratnost v závislosti na ceně elektřiny při okrajových cenách tepla 750 a 1164 Kč/GJ. |
Kritérium NPV (vysvětlivka NPV na konci článku) umožňuje stanovit minimální cenu tepla, při které se investice do rekuperační jednotky už vyplatí. Kritérium minimální cena produkce energie cPEmin se z pohledu investora vypočítá z podmínky NPV = 0. Analýza byla provedena tak, aby NPV po 30 letech bylo 0. Pokud cena tepla klesne pod hodnotu cPEmin, bude investice do tohoto opatření ztrátová (výnos bude nižší než uvažovaný diskont) a tedy bude lepší opatření nerealizovat. Minimální cena u levnější jednotky bez regulace otáček vychází 1109 Kč/GJ, u dražší jednotky s regulací otáček 1095 Kč/GJ.
Výsledky 2 - Výchozí stav: nová těsná okna, manuální větrání (CO2 int. 2000-3000 ppm)
V tomto případě uvažujme, že v panelovém domě byla v minulosti instalována nová plastová okna s minimální infiltrací. Manuální větrání je předpokládáno na stejné úrovni (VAR 2), jako v předchozím případě, reálný stav ukazuje Tabulce 2. V tomto případě vychází energetická úspora pouze 126 kWh/rok, tj cca 0,5 GJ na jednu bytovou jednotku.
Obrázek 5: Prostá návratnost v závislosti na ceně tepla při průměrné ceně elektřiny 4,90 Kč/kWh.
Pro případ, že se v podstatě nevětrá, vychází minimální cena tepla u obou jednotek nad hranicí 10 000 Kč/GJ, která se v praxi nevyskytuje. Tento případ bohužel reprezentuje úplně běžnou současnou situaci ve většině panelových bytů, prostě "nevětráme, ale šetříme". Jak ukazují následující grafy, tak kvalita vzduchu je po instalaci rekuperační jednotky výrazně lepší v mezích max. 1200ppm
 |
 |
Obrázek 6: Porovnání ročního průběhu koncentrace CO2 v interiéru bez rekuperace a s rekuperací.
Výsledky 3 - Výchozí stav: nová těsná okna, manuální větrání (CO2 int. 1200 ppm)
V tomto případě uvažujme výměnu oken jako v předchozím případě. U manuálního větrání ovšem předpokládáme hypotetickou situaci, že je větráno na optimální hranici koncentrace CO2 1200 ppm, což v praxi znamená, že by lidé museli otvírat okna každou půl hodinu (VAR 3). V tomto případě vychází energetická úspora mnohem větší 1320 kWh/rok, tj cca 4,8 GJ na jednu bytovou jednotku. Minimální cena u levnější jednotky bez regulace otáček vychází 979 Kč/GJ, u dražší jednotky s regulací otáček 968 Kč/GJ.
Ačkoliv nepředpokládáme, že by lidé v bytě větrali na ideální koncentraci CO2, ať už z důvodu časového zaneprázdnění, ekonomického či z důvodu pocitu chladu, tento příklad nám ukazuje cenu komfortu vnitřního prostředí.
Závěr
Zkoumané příklady provozu rekuperačních jednotek pro modelový byt čtyřčlenné rodiny 3+1 ukazují zřejmou závislost ekonomiky tohoto opatření na kvalitě vnitřního prostředí. V případě, že uživatele vnitřní klima nezajímá a není pro něj diskomfortní, je investice do opatření zbytečná. Pokud je pro uživatele bytu důležitější optimální kvalita a teplota vzduchu, ukazuje se, že cena tepla pro rekuperaci s regulací a bez regulace otáček se liší minimálně.
Následující graf shrnuje výsledky analýzy. Jak je názorně vidět, tak díky drahé elektřině a ceně tepla cca 500 Kč/GJ je roční provozní náklad na rekuperaci s ventilátory bez regulace otáček (bez uvažovaných nákladů na výměnu filtrů) srovnatelný s variantou se starými okny. V případě vyšší ceny tepla kolem 1000 Kč/GJ je vidět, že roční náklady na rekuperaci jsou mnohem nižší oproti předchozím variantám a toto opatření se začíná více vyplácet.
cena tepla 500 Kč/GJ |
cena tepla 1000 Kč/GJ |
Obrázek 7: Shrnutí výsledků pro jednotlivé varianty větrání
Následující graf pak "hází rukavici" výrobcům rekuperačních jednotek, kdy při uvedených okrajových podmínkách vychází pro ceny tepla kolem 700 Kč/GJ v ČR cena rekuperační jednotky cca 30 000 Kč.
Obrázek 8: Minimální cena tepla pro variabilní cenu rekuperační jednotky včetně práce pro oba typy ventilátorů.
Vysvětlivky ke zkratkám:
NPV ... čistá současná hodnota hotovostních toků (NPV - Net Present Value) čili diskontovaný tok hotovosti (DCF - Discounted Cash Flow).
Čistou současnou hodnotu (NPV) projektu při jednoznačně zadaných vstupních údajích lze spočítat vždy a nabývá jen jedné hodnoty. Lze ji spočítat jako součet všech hotovostních toků za jednotlivé roky doby životnosti projektu násobené tzv. odúročitelem, což je koeficient, který nám pro každý rok udává budoucí částku úspor přepočtenou (diskontovanou) k prvnímu roku, tj. k současnému okamžiku našeho rozhodování. Hotovostní peněžní tok je v každém roce dán rozdílem očekávaných příjmů (kladné hodnoty) a výdajů na realizaci a provoz (záporné hodnoty). V počátečním roce odečítáme výdaje jednorázového, investičního charakteru.
Literatura:
[1] 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.
[2] 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.
[3] Doležílková, H. (2006): Bytové větrání ve vztahu k produkci CO2, vlhkosti a škodlivin (II) [Online]. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra TZB
[4] Paleček, S. (2007): Blower door test průvzdušnosti budov - detekční metody. RADION - Mgr. Stanislav Paleček. [Online].
Nowadays the ventilation and indoor air quality is a main issue because the quality of the interior environment is in focus of occupants. The main reason of interests is that the new windows are leak tight and natural infiltration is low as well as IAQ. Without the ventilation system the CO2 concentration is above the healthy standard (1200ppm). To achieve this CO2 level demands a lot of energy and to supply low temperature from outside directly cases also unsatisfactory thermal comfort. The ventilation with heat recovery is one of the possible solutions for energy savings. In article the deep economyy&energy calculation was performed by using building performance simulation tool IES<VE> and suggestion for manufacture was given. 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.