Lokální či centrální rekuperace tepla v panelovém domě?
Ekonomika řízeného větrání s rekuperací tepla
Nucené větrání bytových domů pomocí rekuperace tepla je jednou z cest, jak udržet v interiéru přijatelné koncentrace CO2 a mít nízké provozní náklady na vytápění. V seriálu o větrání již byla posouzena lokální rekuperace v jednotlivých bytech a posouzeno bylo také nucené přetlakové větrání pomocí elektrické spirály. Tento článek je zaměřen na analýzu centrální rekuperační jednotky, která má v poměru k jednotlivým bytům nižší spotřebu elektrické energie než jednotlivé lokální rekuperační jednotky. Centrální jednotka je však napojena na společnou elektřinu v domě, která je až o 2 Kč dražší, než bytová elektřina. Analýzy ukážou, zda se tedy stále tento systém větrání vyplatí. Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.
Úvod
Jak již bylo řečeno v článku o výhodnosti lokální rekuperace v panelovém domě (PD), tak je tento systém bytového větrání jedním z mála řešení, které zajistí kvalitní vnitřní mikroklima i za cenu vyšších pořizovacích nákladů i vyšších ročních provozních nákladů rovnajících se v součtu (teplo+elektřina) manuálnímu větrání staršími okny s vysokou infiltrací. Návratnost tohoto opatření je dle analýzy často vyšší, než je životnost samotné jednotky (záleží na ceně tepla v daném regionu) a instalace sebou přináší stavební zásahy v samotném bytě, což některé uživatele může odradit.
Možnou alternativou je větrací jednotku umístit mimo větranou zónu (byt) a do bytu předehřátý, zrekuperovaný vzduch pouze přivádět a odvádět stoupacím potrubím a regulovat vzduch do bytu jednotlivými regulátory průtoku vzduchu. V tomto případě pak mluvíme o centrální rekuperaci tepla, která může být umístěna buď v suterénu či na střeše objektu. Stejně jako lokální rekuperace i tento systém vyžaduje dvě stoupací potrubí (přívod, odvod) což sebou přináší opět nutnost instalace cirkulačních digestoří v kuchyních (počty šachet jsou odlišné u různých stavebních soustav PD - viz předchozí článek ).
Obr. 1: Schéma lokální a centrální rekuperace.
Vzduch je systémem rozváděn centrálně po celém objektu a do všech zón je přiváděna stejná teplota vzduchu což může být bráno jako jedna z nevýhod tohoto sytému.
Účinnost rekuperace je s protiproudým výměníkem u těchto větších jednotek o vzduchovém výkonu od 400 m3/h do 3000 m3/h v rozmezí uvádějící následující graf na Obr. 2. Tedy od 70 do 90 % podle množství vzduchu a venkovních podmínek (teplota, vlhkost) - účinost repuperace záleží kromě konstrukce, především na průtocích vzduchu, a vlhkosti odváděného vzduchu ostatní parametry hrají nepatrnou roli.
Obr. 2: Závislost účinnosti rekuperace na průtoku vzduchu.
V článku je zhodnocena nejen průměrná účinnost rekuperace během otopného období, ale především následující analýza ukáže, jestli je ekonomická návratnost tohoto opatření rychlejší než lokální rekuperace vzduchu.
Potřeba energie a náklady na větrání - počáteční stav
Stejně jako u lokální rekuperace v předešlém článku byl nejdříve zhodnocen pomocí dynamických simulací v softwaru IES<VE> počáteční stav, který reprezentuje manuální přirozené větrání okny. Počáteční varianty větrání byly opět tři a to panelový dům se všemi starými netěsnými okny, panelový dům s již novými okny a třetí varianta reprezentuje manuální větrání okny zajištující vnitřní kvalitu vzduchu 1200 ppm (tedy v praxi nereálná situace, ale srovnávací pro rekuperaci tepla). Následující Tab. 1 shrnuje posuzované varianty (varianty VAR 1, 2, 3, 4, 5 jsou analyzovány v předešlých článcích zde a zde).
| varianta | typ oken před instalací rekuperace (výchozí stavy, vůči kterým se počítá ekonomická návratnost opatření) | při jak vysoké hranici CO2 otevírají lidé okna |
|---|---|---|
| VAR 6 | stará netěsná s vysokou infiltrací, manuální větrání | 2000 ppm přes den když jsou lidé doma, 3000 ppm v noci. |
| VAR 7 | nová těsná s nízkou infiltrací, manuální větrání | 2000 ppm přes den když jsou lidé doma, 3000 ppm v noci. |
| VAR 8 | nová těsná s nízkou infiltrací, manuální větrání | 1200 ppm (ideální varianta pravděpodobně nerealistická , kdy lidé otevírají okna každých 30min. i v mrazu) |
Tab. 1: Uvažované výchozí varianty pro výpočet ekonomické návratnosti rekuperace.
Hranice kvality vzduchu, při které lidé otevírají manuálně okna je shodná u varianty, u které byl hodnocen pouze jeden byt pro lokální rekuperaci v předešlém článku - tedy přes den je tato hranice 2000 ppm a v nočních hodinách až 3000 ppm (viz Tab. 1).
Průměrná obsazenost bytových jednotek byla v PD uvažována 2,48 osob/byt (dle http://www.czso.cz). V domě jako celku je pak uvažována současnost užívání dle následujícího hodinového-týdenního profilu po celý rok. Dle obsazenosti PD je pak stanoveno celkové množství přiváděného vzduchu viz Obr. 3 (příklad 12patrového PD s 36-ti byty).
Obr. 3: Procentuelní obsazenost panelového domu v průběhu týdne (vlevo) a množství dopravovaného vzduchu v průběhu dne pro 12ti patrový PD (vpravo).
Potřeba tepla na větrání je pak odlišná dle počtu bytů (počtu oken) v panelovém domě. Následující tabulka číselně uvádí výsledky pro 12-ti patrový panelový dům s 36-ti byty z čehož 80% činí byty s lodžií (s lodžiovou sestavou 2xokno, 1xdveře - typická soustava VVÚ-ETA). Graf na Obr. 4 pak uvádí závislost potřeby energie dle počtu pater resp. bytů v objektu (3 byty na patro).
| varianta | Potřeba tepla na větrání [kWh/rok] | Roční náklady pouze na větrání při ceně tepla 500 Kč/GJ |
|---|---|---|
| VAR 6 | 63 850 kWh/objekt | 114 930 Kč/rok |
| VAR 7 | 26 380 kWh/objekt | 47 484 Kč/rok (40% úspora oproti VAR 6) |
| VAR 8 | 69 500 kWh/objekt | 125 100 Kč/rok |
Tab. 2: Porovnání ročních potřeb tepla na větrání jednotlivých variant.
Obr. 4: Závislost potřeby tepla na větrání v závislosti na počtu pater respektive bytů (oken) v panelovém domě. Výsledky dynamických simulací v softwaru IES<VE>.
Z Tab. 2 respektive z grafu na Obr. 4 si můžeme udělat obrázek také o tom, kolik ušetříme energie respektive financí na větrání při výměně starých oken za nová plastová při zachování stejného vnitřního komfortu - tedy okno otevřeme a interiér vyvětráme při navýšení vnitřní koncentrace přesahující 2000 ppm (viz Tab. 1) u obou variant. Tedy jen díky snížené infiltraci klesne potřeba tepla na větrání cca o 40%. V přepočtu na byt je potřeba tepla pouze na větrání u starých oken 1420 kWh/rok a u nových oken cca 600 kWh/rok. Tedy v přepočtu na peníze za větrání starými okny zapatíme od 2500 do 5110 Kč/rok podle ceny tepla v regionu. U nových oken pak o 40% méně.
Pro zajištění hygienického komfortu rovnající se hranici pod 1200 ppm je však ideální instalovat nucené větrání než manuálně větrat každých 30 minut. V následující kapitole je energetická analýza centrální rekuperační jednotky.
Potřeba energie a náklady na nucené větrání s centrální rekuperací vzduchu - VAR 9
Intenzita větrání pro zajištění vnitřní koncentrace CO2 1200 ppm byla stanovena na základě analýz popsaných v předešlém článku. Při uvedené současnosti uživatelů je pak pro 12-ti patrový PD se třemi byty na patře celkové množství vzduchu uvažováno 2160 m3/h. Následující graf na Obr. 5 pak uvádí množství vzduchu podle počtu pater panelového domu různé výšky.
Obr. 5: Množství dopravovaného vzduchu v závislosti na počtu pater.
Účinnost centrální rekuperace
Potřeba energie, kterou je nutné dodat vzduchu po rekuperaci je velmi závislá na účinnosti rekuperaci, která je proměnná podle venkovní teploty a průtoku vzduchu jednotkou (viz graf na Obr. 2). Následující graf ukazuje průběh roční účinnosti rekuperace v závislosti na venkovní teplotě (dopravované množství pro 12-ti patrový panelový dům ukazuje Obr. 5).
Obr. 6: Účinnost rekuperace v průběhu roku (průměrné, maximální a minimální hodnoty).
Čím větší průtok jednotkou je, tím nižší je účinnost jednotky. Tedy čím více bytů napojených na jednu centrální jednotku, tím horší efektivnost opatření. Pro dvou patrový PD je průměrná roční účinnost v otopném období 76% (maximum 88%), u 16-ti patrového domu s napojenými 48-mi byty (max. průtok 2800 m3/h) je průměrná účinnost cca 70%, což se projeví v konečném důsledku na celkové potřebě tepla na vytápění, která bude o 6% vyšší.
Potřeba tepla na větrání po instalaci centrální rekuperační jednotky
Celková potřeba na vytápění je na Obr. 7 opět vyjádřena od 2 do 16-ti pater - tedy počtu bytových jednotek od 6 do 48, které jednotka zásobuje vzduchem.
Obr. 7: Potřeba tepla na větrání s rekuperací tepla pro různě vysoké panelové domy.
Z grafu na Obr. 7 tedy vidíme, kolik ušetříme tepelné energie vůči různým počátečním stavům. V případě, že nainstalujeme rekuperační jednotku do objektu, kde jsou již plastová okna, tak ušetříme pouze asi 15% energie na vytápění. Druhou stranou mince je však radikální zkvalitnění vnitřního prostředí, které nelze opomíjet.
Spotřeba elektrické energie na ventilátory
Stejně jako lokální rekuperační jednotky, tak i centrální jednotka obsahuje dva ventilátory (každý o max. výkonu přes 300 W), které spotřebovávají elektrickou energii. Cena kWh se započtením fixních částek na jističe pro PD je v podnikatelské sazbě C02 (společná elektřina) kolem 7 Kč (ventilátory u lokální rekuperace spotřebovávají o 2 Kč levnější "bytovou" elektřinu v sazbě D02).
I když je cena elektřiny pro centrální rekuperaci vyšší, tak v celkovém měřítku vyjde roční náklad na bytovou jednotku nižší, než u lokální rekuperace - viz graf Obr. 8.
K spotřebě elektřiny bylo přistupováno shodně jako u lokální rekuperace v předešlém článku. Tedy na základě hodinové simulace byla vypočtena roční spotřeba elektřiny tentokrát pouze pro ventilátory typu EC - tedy s regulací otáček, které šetří elektrickou energii. Tyto typy ventilátorů pro větší jednotky jsou řádově o 20 000 Kč/jednotku dražší než klasické, ale v celkové investici na celé opatření (přepočteno na bytovou jednotku) je tato položka zanedbatelná (viz ekonomická analýza níže).
Pro rekapitulaci spotřeba elektřiny pro lokální rekuperaci se shodnými ventilátory s regulací otáček je cca 280 kWh/byt/rok. U centrální rekuperace je spotřeba elektřiny na byt závislá na počtech bytů, které jednotka "zásobuje". Čím více bytů napojeno na jednu jednotku, tím v poměru nižší spotřeba na jeden byt. Následující graf na Obr. 8 uvádí spotřebu elektřiny vztaženou na byt pro PD od 2 do 16 pater (od 6 do 48 bytů)
Obr. 8: Spotřeba elektřiny na pohon centrální vzduchotechnické jednotky vztažená na bytovou
jednotku v porovnání se spotřebou elektřiny pro lokální rekuperaci.
K potřebě tepla na vytápění je tedy nutno přičíst ještě spotřebu elektrické energie. Tedy k ročním nákladům za vytápění přičíst řádově 4x dražší elektřinu na pohon jednotky.
Obr. 9a: Roční provozní náklady různých způsobů větrání pro cenu tepelné energie 500 Kč/GJ (1,8 Kč/kWh)
Obr. 9b: Roční provozní náklady různých způsobů větrání pro cenu tepelné energie 1000 Kč/GJ
Výsledky jsou oproti lokální rekuperaci mnohem pozitivnější díky elektřině rozpočtené mezi více bytů. Pokud budeme uvažovat jako počáteční stav stará okna, tak po instalaci rekuperace a výměně oken za nová může 12-ti patrový panelový dům ušetřit ročně od 40 000 do 120 000 Kč/rok podle ceny tepla v regionu.
V případě, že v panelovém domě jsou již instalována plastová okna, tak se rekuperace z ekonomických důvodů nevyplatí. Z pohledu zkvalitnění vnitřního prostředí však ano.
Porovnáme-li pak nucené větrání s rekuperací tepla s nereálnou variantou manuálního větrání VAR8 (intenzivní větrání), pak je úspora v řádech od 55 000 do 160 000 Kč/rok.
Kolik ušetří jedna bytová jednotka?
Měrnou úsporu na byt lze tedy vztáhnout pouze k počátečnímu stavu, kdy jsou v domě stará netěsná okna nebo větráme velmi intenzivně na hodnotu 1200ppm. Po rekonstrukci panelového domu a instalaci centrální rekuperace bude pak měrná finanční úspora opět odlišná podle počtu pater.
Následující Obr. 10 uvádí oblast měrné finanční úspory pro různé ceny tepla. V krajích, kde se cena tepla CZT pohybuje kolem 500 Kč/GJ je finanční úspora pouze kolem 1000 Kč/byt.rok. Čím tedy dražší teplo, tím vyšší roční úspora po instalaci rekuperace.
Obr. 10: Měrná úspora na typický panelákový byt při různých cenách tepla (spodní hranice 500 Kč/GJ a horní hranice 1000 Kč/GJ).
Ekonomická analýza. Počáteční investice a návratnost opatření
Cena centrální rekuperační jednotky pro panelový dům je odlišná podle počtu pater resp. bytů, které "zásobuje". Následující Obr. 11 uvádí orientační cenu opatření, která zahrnuje cenu centrální vzduchotechnické jednotky, montáž jednotky zahrnující napojení kondenzátu, elektro a stavební přípomoce, repasi stoupaček a investice do stavebních úprav v dílčích bytech (rozvody VZT, regulační klapky, sádrokartonové podhledy, čidla kvality vzduchu v každém bytě).
Obr. 11: Celková investice centrální rekuperace podle počtu pater (3 byty na patro).
Přepočtené investiční náklady na jeden byt uvádí následující graf na Obr. 12. Pro vyšší panelové domy se investice pohybuje kolem 40 000 Kč/byt.
Obr. 12: Měrná celková investice opatření vztažená na bytovou jednotku.
Prostým vydělením měrné investice do opatření a měrnou finanční úsporou dostaneme prostou návratnost instalace centrální rekuperace tepla.
Obr. 13: Prostá návratnost centrální rekuperace tepla.
Z pohledu prosté návratnosti se vyplatí instalovat centrální rekuperační jednotku především u panelových domů nad 6 pater (18 bytů) a výše. V oblastech s cenou tepla těsně pod hranicí 1000 Kč/GJ (sever čech) je prostá návratnost kolem 15-20 let.
Závěr
Z doposud analyzovaných systémů větrání pro panelový dům se jeví centrální rekuperace z ekonomického pohledu jako nepřijatelnější alternativou.
Nejvýhodnější je instalace do vyšších panelových domů s větším počtem bytových jednotek. Měrná investice do opatření se pohybuje řádově kolem 40 000 Kč/byt s prostou návratností kolem 15 let pro regiony s cenou tepla kolem horní hranice 1000 Kč/GJ (Liberec, Jablonec).
Následující graf na Obr. 14 opět porovnává roční provozní náklady různých systémů nuceného větrání mezi sebou vůči manuálnímu větrání okny. V grafu jsou rozděleny náklady za vytápění (zelená) a náklady za elektřinu, která je spojená s funkčností systému (červená). U VAR 9 - tedy u centrální rekuperace tepla je spotřeba elektřiny závislá na počtu bytových jednotek v panelovém domě. Pokud je bytových jednotek málo, tak je měrná platba za elektřinu na byt vyšší než u více bytových jednotek (viz rozptyl v grafu).
Obr. 14: Porovnání ročních provozních nákladů různých variant větrání (přirozeného a nuceného větrání).
Závěrem lze tento systém větrání doporučit nejen z pohledu zkvalitnění vnitřního mikroklimatu v interiéru, ale také z pohledu návratnosti vložené investice.
Literatura:
[1] 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.
[2] Doležílková, H. (2006): Bytové větrání ve vztahu k produkci CO2, vlhkosti a škodlivin (II) [Online]. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra TZB. (www)
[3] Paleček, S. (2007): Blower door test průvzdušnosti budov - detekční metody. RADION - Mgr. Stanislav Paleček. [Online]. (www).
[4] 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.(www)
This article compares central ventilation system with heat recovery for entire panel house with local small ventilation units for single flat. From the research supported by The Ministry of the Environment of Czech republic these systems can easily reach the good indoor air quality and save the energy for heating. In this last article about individual ventilation units has been also discuss the lack of these system - and that's the electricity consumption of these units which is not insignificant. Central units have even bigger fans with higher electricity input and the consumption can move the pay-back time for the installation in negative numbers. Also the electricity for the common area such as corridors and also these fans is more expensive (about 2 Kč/kWh more than in flats). The article presents detail energy and economy analysis based on dynamic building performance simulation. The IES<VE> software was used for calculation. 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.