Podrobná analýza potreby tepla na vykurovanie a energetickej hospodárnosti budov

Moderné domy dnes dokážu hospodáriť s energiou oveľa efektívnejšie než stavby spred dvadsiatich rokov. Úspory však nevznikajú len použitím kvalitných materiálov či technológií. Mnohí investori aj projektanti sa stretávajú s otázkou, prečo je vlastne takýto výpočet potrebný a či nemožno jednoducho odhadnúť výkon kotla alebo tepelného čerpadla podľa veľkosti domu. Odpoveď znie: nie. Správne určenie potreby tepla je základom pre návrh každého vykurovacieho systému a má kľúčový vplyv na náklady, komfort a životnosť zariadení.

Dôsledky nesprávneho odhadu potreby tepla

Zjednodušene môžeme povedať, že tepelná strata konštrukcie sa určí podľa plochy, tepelnej priepustnosti a rozdielu teplôt. Do výpočtu však patrí aj infiltrácia vzduchu - teda tepelné straty spôsobené netesnosťami a vetraním.

Ak by sa zvolil zdroj tepla napríklad s výkonom len 3 kW, dom by sa pri silných mrazoch jednoducho nevykúril. Tepelné čerpadlo alebo kotol by bežal nepretržite, spotreba energie by rástla a komfort bývania by sa zhoršil.

Naopak, ak by sa pre istotu zvolil zdroj s výkonom 10 kW, zaplatila by sa zbytočne vysoká suma za technológiu. Zariadenie by sa často zapínalo a vypínalo, čo znižuje jeho účinnosť a skracuje životnosť. Bežný investor si niekedy pomôže jednoduchou poučkou: „Na 1 m² plochy domu treba asi 50 - 100 W tepla.“ Hoci tento prístup môže poslúžiť ako veľmi hrubý odhad, v praxi je nepresný. Moderné nízkoenergetické domy potrebujú často menej než 30 W/m², zatiaľ čo staršie nezateplené stavby môžu mať potrebu aj 120 W/m².

Faktory ovplyvňujúce potrebu tepla na vykurovanie

Základné parametre výpočtu

Aj zjednodušený výpočet dokáže ukázať, aké rozdiely môžu vzniknúť medzi „odhadom“ a realitou. Merná potreba tepla na vykurovanie Q_H,nd je v legislatíve SR definovaná štandardným počtom dennostupňov 3 422 K . deň. Nie priamo, ale minimálne lineárne tak táto veličina dáva priamy obraz o skutočnej energetickej potrebe/spotrebe analyzovaného objektu rodinného domu.

Klimatické podmienky a lokalita

Aj na takom malom území, akým je Slovensko, ukazujú simulácie veľké rozdiely. Príspevok pracuje s parametrom aktuálnej vonkajšej klímy reprezentovanej súborom jej reprezentantov definovaných Testovacím referenčným klimatickým rokom (TRKR) na vybranom rodinnom dome na Slovensku. Jeho ambíciou je poukázať na rozdiely aj na takom malom území, akým je Slovensko, prostredníctvom stanovenia mernej potreby tepla na vykurovanie hodinovou - simulačnou metódou.

Územie Slovenska, hoci svojou celkovou rozlohou pomerne malé (49 035 km²), pokrýva geomorfologicky výrazne členitý povrch a striedajú sa tak na ňom pomerne rozľahlé územia nížin (zelené) s nadmorskou výškou len okolo 100 až 200 m n. m., najmä v južnej časti západného či východného Slovenska, ale aj rôzne horské masívy (hnedé) v jeho severnej časti, siahajúce až do nadmorskej výšky 2 655 m n. m.

Testovací referenčný klimatický rok je súborom fyzikálnych veličín, reprezentujúcich vonkajšiu klímu danej lokality (stanovených na základe špecifických kritérií, ako aj ich zberu). Podkladom TRKR sú tu údaje z programu METEONORM 8.0 (spracované merané dáta za obdobie rokov 2000 až 2020), pričom boli vybraní typickí reprezentanti jednotlivých lokalít SR, aj ich nadmorskej výšky v súčinnosti s ich dennostupňami a ich rozsahom (3 156 - 8 285 K . deň).

Energetická náročnosť v exponovaných podmienkach takmer najvyššieho miesta Lomnického štítu (s nadmorskou výškou 2 655 m n. m.) je približne 2,5-krát vyššia ako v Hurbanove. Aj pri lokalite horského mesta Donovaly (s nadmorskou výškou 982 m n. m.) sú rozdiely výrazné. Príspevok s realizovanou simulačnou analýzou ukazuje značné rozdiely v energetickej hospodárnosti RD v prostredí SR (aj s výnimkou Lomnického štítu, ktorý je tu použitý ako naozaj úplný teplotný extrém), a to až na úrovni jej navýšenia približne o 50 % (Donovaly verzus Hurbanovo).

Charakteristiky stavebných konštrukcií a budovy

Simulačná analýza sa realizovala na rodinnom dome typu bungalov (č. 1471) s pôdorysnou plochou 130,1 m². Parametre teplo-výmennej obálky reflektujú súčasné požiadavky v zmysle normy STN 73 0540-2+Z1+Z2 [2]: normalizovaná hodnota súčiniteľa prechodu tepla obvodovej steny U_stena = 0,22 W/(m² . K), strecha aj strop U_{strecha/strop} = 0,15 W/(m² . K), transparentné konštrukcie U_okno = 0,85 W/(m² . K) a tepelný odpor podlahy R_PNT = 2,50 m² . K/W.

Vnútorné tepelné zisky boli namodelované v zmysle požiadaviek energetickej hospodárnosti budov hodnotou 4,0 W/m². Vonkajšie tepelné zisky zo slnečného žiarenia sú dané výpočtom z hodnôt žiarenia z TRKR aj pri použití tienenia okolitými budovami. Tepelné straty prechodom tepla vychádzajú z reálnej simulácie budovy aj so zohľadnením akumulačných schopností nielen obalových, ale aj deliacich konštrukcií.

Pre väčšiu podrobnosť celej energetickej simulačnej analýzy sa následne v ďalšej časti pristúpilo k variovaniu niekoľkých výpočtových parametrov RD, t. j. jeho energetického modelu.

Navýšenie tepelných ziskov zo slnečného žiarenia o 60 % nárastom hodnoty g (celková priepustnosť slnečného žiarenia, typické materiálové rozhranie dnešných tepelnoizolačných trojskiel) z 0,30 na 0,50 predstavuje úsporu na úrovni 2,6 až 8,6 (pri LOS je to 13,7) kWh/(m² . rok). Tento parameter, naopak, nepredstavuje taký významný aspekt rozptýlenia parametra mernej potreby tepla na vykurovanie.

Podobne ani zmena orientácie celej budovy na svetové strany, hoci objekt má pomerne exponované a rozsiahle plochy zasklení, neznamená nijako významnú úsporu (odhliadnuc od typologických predpisov, pravidiel jednotlivých typov obytných miestností). V hodnotách mernej potreby tepla na vykurovanie to reprezentujú rozdiely medzi 2,0 a 5,8 kWh/(m² . rok), percentuálne na úrovni 6,1 až 14,6 %.

Ani výrazná zasklená plocha v obývacej miestnosti (cca 16,7 m²) orientovaná pri základnom smere, orientácii 0 (V) na severozápad, nepohla nijako dramaticky s účinkom tepelných ziskov zo slnečného žiarenia a so značnou úsporou energií pri „správnom“ orientovaní RD na svetové strany. Malou výnimkou je iba slnečné Hurbanovo s poklesom tesne pod 8,0 % (medzi alternatívami Z a J), v priamom vyjadrení poklesu potreby tepla o 4,1 kWh/(m² . rok). Percentuálne porovnanie (do značnej miery deformované nižšími hodnotami) sa zmení v prípade aplikácie SZT, čísla ukazujú hodnoty až 14,5 %, ale iba 2,2 kWh/(m² . rok).

Faktor tvaru budovy je definovaný ako podiel súčtu teplovýmenných plôch konštrukcií, ktoré ohraničujú obstavaný priestor zo všetkých strán (A), a obstavaného objemu bytových podlaží (Vb). Najvhodnejšie riešenie plošných a priestorových parametrov budovy je také, ktoré minimalizuje teplovýmenné plochy pri danom obstavanom objeme. Pri rovnakej kvalite teplovýmenného obalu budovy je merná potreba tepla na vykurovanie výrazne vyššia pri dome, ktorý má vyšší faktor tvaru (rozdiel skúmaných domov je okolo 20 kWh/(m².a)). Kvalita riešenia tepelných mostov tiež výrazne vplýva na potrebu tepla na vykurovanie. Uvažovaním paušálnej hodnoty ΔU = 0,050 W/(m².K) nie je možné bez uvažovania rekuperácie tepla navrhnúť rodinný dom, ktorý by splnil odporúčanú hodnotu mernej potreby tepla na vykurovanie.

Vplyv vetrania a rekuperácie tepla

Podstatne väčší vplyv, čo sa dalo aj očakávať, má výrazné „priškrtenie“ infiltrácie, intenzity výmeny vzduchu. Zníženie jej hodnoty z normalizovaných n = 0,50 1/h na n = 0,10 1/h, čo zjednodušene reprezentuje kompletnú rekuperáciu (spätné získavanie tepla SZT) celého objektu s kvalitnými, modernými oknami a rámami, znižuje celkovú energetickú bilanciu približne o 70 až 72 %, a to pri troch lokalitách, pri dvoch „studených“ miestach je to o čosi menej, zhruba 65 %.

Výmena vzduchu v budove má tiež veľmi veľký vplyv na potrebu tepla na vykurovanie. Uvažovaním normalizovanej hodnoty indexu výmeny vzduchu v budove n = 0,5 1/h, teda bez uvažovania rekuperácie je veľmi ťažké navrhnúť rodinný dom, ktorý by splnil odporúčanú hodnotu mernej potreby tepla na vykurovanie. Rovnako sa potvrdilo, že bez SZT typický jednopodlažný rodinný dom (bungalov) vyhovie požiadavke na hygienické kritérium STN naozaj len veľmi ťažko a nepomôže mu už v tom výraznejšie ani tá najteplejšia lokalita SR, ktorú reprezentuje Hurbanovo (s dennostupňami na úrovni 3 156 K . deň).

Legislatívne požiadavky a normy na energetickú hospodárnosť budov

Samostatným hodnotiacim kritériom je požiadavka normy STN 73 0540-2+Z1+Z2, tzv. energetické kritérium, ktoré pri faktore tvaru budovy posudzovaného bungalovu 1,00 1/m definuje aktuálne hraničnú požiadavku 50,0 kWh/(m² . rok). Zákon č. 555/2005 z 8. novembra 2005 o energetickej hospodárnosti budov ustanovuje postupy a opatrenia na zlepšenie energetickej hospodárnosti budov s cieľom optimalizovať vnútorné prostredie v budovách a znížiť emisie oxidu uhličitého z prevádzky budov a pôsobnosť orgánov verejnej správy. Podľa zákona musí nová budova spĺňať minimálne požiadavky na energetickú hospodárnosť nových budov určené technickými normami. Pri energetickej certifikácii sa budova zatrieďuje do energetickej triedy. Základom energetickej certifikácie je výpočet a kategorizácia budov. Vyhláškou č. 625/2006 Ministerstva výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky z 22. novembra 2006 sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z.

Od 1. januára 2016 platia na Slovensku nové požiadavky na navrhovanie a posudzovanie stavebných konštrukcií a budov podľa normy STN 73 0540-2: 2012. Splnením požiadaviek hygienického kritéria, kritéria výmeny vzduchu a tepelnotechnických požiadaviek na šírenie vlhkosti, sa zabezpečuje preukázanie splnenia základnej požiadavky na hygienu a ochranu zdravia. Požiadavky na stavebné konštrukcie a budovy zohľadňujú rôzne úrovne energetickej hospodárnosti.

Od 1. januára 2013 sa sprísnili požiadavky na výstavbu nových budov a požadovalo sa dosiahnutie úrovne nízkoenergetických budov z hľadiska tepelnej ochrany budov. Na nové budovy postavené po roku 2015 platia odporúčané hodnoty pre ultranízkoenergetické budovy ako normalizované (požadované). Po 1. 1. 2016 teda platí, že všetky hodnoty, ktoré sú v norme STN 73 0540-2: 2012 uvedené ako odporúčané, sa automaticky stanú normalizovanými, teda požadovanými hodnotami. Napríklad pre vonkajšiu stenu sa normalizovaná hodnota U zmení z 0,32 W/(m².K) na 0,22 W/(m².K).

Norma STN 73 0540-2: 2012 po 1. 1. 2016 vyžaduje navrhovať rodinné domy s faktorom tvaru blízkym hodnote 0,7 1/m a zároveň s použitím núteného vetrania s rekuperáciou tepla a návrhom detailov tak, aby zvýšenie tepelných strát vplyvom tepelných mostov bolo nulové.

Simulačné analýzy a praktické príklady

Pre komplexné hodnotenie a porovnanie potreby tepla na vykurovanie boli vybrané dva charakteristické rodinné domy. Prvý predstavuje takmer ideálny rodinný dom z hľadiska stavebnej tepelnej techniky. Je to dvojpodlažný rodinný dom bez suterénu rozmerov 8,8 x 11,5 m, s plochou strechou. Druhý posudzovaný rodinný dom je dom DEKOR, v súčasnosti veľmi rozšírený typ rodinného domu. Je to prízemný rodinný dom bez suterénu s nevyužitým podstrešným priestorom. Rozmery domu sú 14,75 x 13,50 m.

Takmer ideálny rodinný dom bol riešený v troch variantoch vyhotovenia obalových konštrukcií budovy (A, B a C). Rodinný dom DEKOR bol riešený v štyroch variantoch (A, B, C a D). Každý z variantov bol ešte posudzovaný v ďalších troch podvariantoch (0, 1 a 2). Prvý podvariant bol počítaný s normovými hodnotami ΔU = 0,05 W/(m².K) a n = 0,5 1/h. Druhý podvariant bol počítaný uvažovaním ideálnej hodnoty ΔU a so štandardnou hodnotou n = 0,5 1/h, teda bez použitia rekuperácie tepla. Posledný podvariant bol počítaný uvažovaním ideálnej hodnoty ΔU a s redukovanou hodnotou n (použitím rekuperácie tepla).

Pre väčšiu prehľadnosť a grafické znázornenie jednotlivých výsledkov sú tieto hodnoty následne transformované ešte do troch samostatných grafov, pričom každý reprezentuje inú hodnotu celkovej priepustnosti slnečného žiarenia g. Grafy vo svojich zvislých štvrtinách presne kopírujú štvorriadky z tabuliek.

Merná potreba tepla Q_H,nd na vykurovanie, realizované pre všetkých 240 variantov riešenia, preukázala, že jednotlivé variované parametre výpočtu energetickej simulácie aj v kontexte s konkrétnou lokalitou SR pomerne výrazným spôsobom ovplyvňujú energetickú bilanciu simulovaného RD - kolísaním hodnôt v celej tabuľke.

Uvažovaním paušálnej hodnoty ΔU = 0,050 W/(m².K) nie je možné bez uvažovania rekuperácie tepla navrhnúť rodinný dom, ktorý by splnil odporúčanú hodnotu mernej potreby tepla na vykurovanie, resp. hodnotu na dosiahnutie energetickej hospodárnosti budovy podľa STN 73 0540-2: 2012 ani použitím extrémne nízkých hodnôt súčiniteľa prechodu tepla teplovýmenných konštrukcií. Tieto hodnoty však od 1. 1. 2016 vyžadujú:

• použitia parametrov obvodových konštrukcií minimálne na normovej úrovni.
• použitie parametrov obvodovej steny s tepelnoizolačnými vlastnosťami až 2,6-krát lepšími ako normou požadované hodnoty, oknami o ¼ lepšími ako normou požadovaná hodnota a strechou a podlahou na úrovni cieľových hodnôt normy požadovaných až po roku 2020.
• použitie parametrov obvodovej steny s tepelnoizolačnými vlastnosťami až 2,6-krát lepšími ako normou požadované hodnoty, oknami o ¼ lepšími ako normou požadovaná hodnota a strechou a podlahou na úrovni cieľových hodnôt normy požadovaných až po roku 2020.

Potreba energie na prípravu teplej vody a jej distribúciu

Celková potreba energie na prípravu TV vyjadruje potrebu energie na prípravu TV a vlastnú spotrebu energie podľa technickej normy prEN 15316-3-2 - Vykurovacie systémy v budovách. Metódy výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Systémy prípravy teplej vody a distribúcia. Ide o špecifickú potrebu tepla v kWh/m² za rok (definovaná pre teplotu vody na výstupe 60 °C a teplotu studenej vody 10 °C). Hodnota v kWh/m² je stanovená pre jednotlivé kategórie budov na národnej úrovni (podľa vyhlášky č. 625/2006 Z.z.).

Tepelná strata zásobníkov a zásobných nádrží by nemala presiahnuť hodnoty podľa technickej normy STN EN ISO 12241 - Tepelná izolácia technických zariadení budov a priemyselných prevádzok. Výpočtové pravidlá.

V príklade je uvažované s bytovým domom typu T 06 B, ktorého vek je 30 rokov. Je predpoklad, že v blízkej budúcnosti bude prevedená aj rekonštrukcia rozvodov teplej vody. Bytový dom pozostáva z deviatich podlaží, pričom prízemie slúži ako technické podlažie a horných osem nadzemných podlaží je obytných. V dome je spolu 16 bytov 3-izbových a 16 bytov 4-izbových. Celková podlahová plocha bytov je 2 370,24 m², celková úžitková plocha je 2 987 m².

V súčasnosti sú stúpacie rúry obalené plstenými pásmi. Energia dodaná teplej vode sa vypočíta podľa prEN 15316-3-1 - Vykurovacie systémy v budovách. Spotreba energie na prevádzku distribučného systému sa vypočíta podľa technickej normy prEN 15316-3-2 - Vykurovacie systémy v budovách. Metódy výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému.

Stúpacie rozvody v bytovom dome pred rekonštrukciou sú opatrené plstenými pásmi hrúbky cca 3 mm (λ = 0,07 W/(m.K)). Lineárna hustota tepelného toku (tepelná strata) stúpacieho rozvodu je 26 - 39 W/m v závislosti od svetlosti rúry. Teplota teplej vody v stúpacích rozvodoch je uvažovaná 52 - 55°C. Po rekonštrukcii stúpacích rozvodov je nutné uvažovať s takou hrúbkou tepelnej izolácie, aby tepelná strata - lineárna hustota tepelného toku potrubia neprekročila hodnotu 8 W/m.K. Pre ležaté rozvody je v súčasnosti uvažovaná lineárna hustota tepelného toku 20 - 25 W/m. Po rekonštrukcii je nutné, aby tepelná strata neprekročila 8 W/m.K.

V uvedenom prípade je uvažované len s potrebou energie na teplú vodu Q_W a tepelnou stratou distribučného systému Q_Wd. Pre zaradenie systému teplej vody v bytovom dome do energetickej triedy je potrebné vypočítanú potrebu energie na systém teplej vody predeliť celkovou úžitkovou plochou bytového domu, ktorá je v našom prípade 2 987 m² a podľa rozsahu energetických tried na prípravu teplej vody uvedeného vo vyhláške 625/2006 - príloha (viď tabuľku 4) zatriediť do príslušnej energetickej triedy.

Z príkladu vyplýva, že zaizolovaním distribučného rozvodu teplej vody podľa požiadaviek vyhlášky 625/2006 (tepelná strata - lineárna hustota tepelného toku potrubia nemá prekročiť hodnotu 8 W/m) je možné systém teplej vody v bytovom dome zatriediť do výhodnejšej energetickej triedy o jeden prípadne viac stupňov, čo závisí od spôsobu zásobovania budovy teplou vodou a rozsiahlosti distribučného rozvodu. Po rekonštrukcii rozvodov ho bude možné systém teplej vody v bytovom dome zatriediť do energetickej triedy B (21 kWh/rok.m²).

Tento príspevok slúži pre širšiu odbornú verejnosť ako predbežná informácia na možné stanovenie tried energetickej hospodárnosti budov v oblasti prípravy teplej vody v bytových domoch, ktoré sú zásobované teplou vodou z výmenníkovej stanice, alebo z kotolne. Uvedené technické údaje a postup výpočtu sú informatívne a nemôžu byť priamo aplikované pri konkrétnych výpočtoch v praxi. Uvedený spôsob výpočtu môže byť zmenený.

Referencie a právne predpisy

• Valášek.
• Zákon č. 555/2005 Z.z. o energetickej hospodárnosti budov.
• Vyhláška č. 625/2006 Ministerstva výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky z 22. novembra 2006, ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z.
• STN 73 0540-2+Z1+Z2, 2019: Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
• prEN 15316-3-1: Vykurovacie systémy v budovách. Metódy výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému.
• prEN 15316-3-2: Vykurovacie systémy v budovách. Metódy výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Systémy prípravy teplej vody, distribúcia.
• prEN 15316-3-3: Vykurovacie systémy v budovách. Systémy teplej vody.
• STN EN ISO 12241: Tepelná izolácia technických zariadení budov a priemyselných prevádzok. Výpočtové pravidlá.
• Projektová dokumentácia rodinného domu - BUNGALOV č. 1471.

tags: #potreba #tepla #na #vykurovanie #xps