Energetické systémy nízkoenergetických objektov

Všetky objekty treba z hľadiska spotreby energie navrhovať a posudzovať so zreteľom na nadväznosť jednotlivých systémov. So zvyšujúcimi sa požiadavkami na energetickú úsporu rastú aj nároky na kvalitu vyhotovenia stavebných konštrukcií a rôznych konštrukčných detailov, na energetické systémy stavby a v neposlednom rade na užívateľov objektov, ktorí musia byť minimálne poučení o ovládaní jednotlivých systémov spotrebúvajúcich energiu.

Stavebné objekty sa z hľadiska potreby energie na vykurovanie môžu deliť na:

• obvyklú výstavbu so spotrebou tepla na vykurovanie 80 až 140 kWh/(m².a),
• energeticky úsporné objekty so spotrebou tepla 50 až 70 kWh/(m².a),
• nízkoenergetické objekty so spotrebou ≤ 50 kWh/(m².a),
• pasívne objekty so spotrebou ≤ 15 kWh/(m².a),
• nulové objekty so spotrebou < 5 kWh/(m².a),
• plusové objekty, ktoré sú schopné potrebné množstvo energie na prevádzku vyprodukovať samé.

 
Energetické systémy na vykurovanie nízkoenergetických objektov z hľadiska hlavného zdroja energie možno rozdeliť na:

• systémy využívajúce obnoviteľné zdroje energie:
  • solárne systémy,
  • geotermické systémy,
  • kombinované systémy,
  • systémy na báze biomasy,
  • systémy využívajúce elektrickú energiu ako hlavný zdroj energie,
• systémy využívajúce neobnoviteľné zdroje energie.

Z hľadiska využívania zdrojov energie poznáme pasívne a aktívne systémy.
   
Systémy využívajúce obnoviteľné zdroje energie
Solárne systémy
Patria sem predovšetkým pasívne solárne systémy, ktoré môže využívať celá budova alebo len niektoré z jej častí. Energia sa transportuje len prirodzenou cestou, bez pomoci technických zariadení. Vhodným návrhom možno pri pasívnom slnečnom vykurovaní výrazne znížiť spotrebu tepla.

Akumulačné solárne steny
Sú orientované na juh a pracujú na princípe solárneho kolektora. Základným predpokladom týchto stien je použitie masívnych stavebných materiálov a vytvorenie masívnych konštrukcií z materiálov s vysokou tepelnou kapacitou. Konštrukcie sa správajú ako tepelný zásobník, pričom sa nabíjajú tepelnou energiou pri slnečnom svite. Zabraňuje sa tak prehriatiu a následne pri poklese teploty sa uvoľňuje nahromadené teplo radiáciou.

Nezasklený solárny vzduchový kolektor
Základom nezaskleného solárneho vzduchového kolektora je tmavý, dierovaný trapézový plech, ktorý sa umiestňuje na fasádu vo vzdialenosti 2 až 4 cm od zateplenej obvodovej steny. Ventilátor vytvára podtlak medzi fasádou a plechom, a tým dochádza k nasávaniu vzduchu do dutiny cez dierovanie. Vzduch stúpa dutinou, zohrieva sa a je ďalej rozvádzaný bežným vetracím zariadením.

Energetické fasády
Energetické fasády sú jednoduché vzduchové kolektory, ktorých transparentnú vrstvu tvorí sklenená doska a absorpčný povrch normálna fasáda. Výhodou je, že pomocou týchto kolektorov môžeme zásobovať teplom celú budovu.

Dvojité transparentné fasády
Pri dvojitých transparentných fasádach ide podobne, ako v predchádzajúcom prípade, o vzduchový kolektor, ktorý je tvorený sklenenými doskami presadenými pred obvodovou presklenou konštrukciou. Vo vzniknutej dutine sú ešte umiestnené tieniace prvky a otvory umožňujúce reguláciu vzduchu vo vonkajšom plášti.

Energetická strecha
Energetická strecha je vzduchový kolektor zabudovaný do roviny strešnej konštrukcie. Väčšinou sa kombinuje so stenovým vzduchovým kolektorom. K dosiahnutiu dostatočného účinného vztlaku pri letnej prevádzke s prirodzenou cirkuláciou vzduchu je nutný určitý výškový rozdiel medzi vstupom a výstupom vzduchu. Z tohto dôvodu je systém vhodný pre šikmé strechy s uhlom sklonu najmenej 30°.

Transparentná izolácia
Ide o materiály, ktoré výhodne kombinujú dve základné vlastnosti požadované pri zasklievacích prvkoch v solárnej technike – dobrú priepustnosť slnečného žiarenia a nízku tepelnú stratu. Sú vyrábané zo skla alebo z plastov.

Geotermické systémy
Systémy využívajúce priamo geotermickú (geotermálnu) tepelnú energiu na bežnú výstavbu sú pomerne ojedinelé a ekonomicky náročné. Vo väčšej miere sa budujú nepriame systémy s nasadením tepelného čerpadla využívajúce povrchové zemské teplo prostredníctvom teplovýmenných registrov uložených v predpísanej hĺbke v zemskom plášti. Úspešne sa taktiež využívajú základové pilóty s integrovaným rúrovým tepelným výmenníkom, tzv. energetické pilóty.

Kombinované systémy s aktívnou tepelnou ochranou
Veľkosť tepelných strát v zimnom období cez 1 meter štvorcový obvodovej steny závisí priamo úmerne od rozdielu teplôt interiérového a exteriérového vzduchu a nepriamo úmerne od tepelného odporu steny. V štandardne riešených pasívnych domoch sa tepelné straty cez obvodové steny znižujú aplikáciou čo najväčšej hrúbky vysokoúčinnej tepelnej izolácie (ide o tzv. pasívnu tepelnú ochranu budovy). Existuje však aj iný spôsob ako možno znížiť tepelné straty cez obvodové steny. Tento spôsob je charakteristický využitím solárnej, geotermickej energie prostredníctvom aktívnej tepelnej ochrany obalových konštrukcií. Obalová konštrukcia s aktívnou tepelnou ochranou využíva na zníženie tepelných strát solárnu a geotermickú energiu prostredníctvom tepelných bariér.

Kontinuálny prúd tepla smerovaný z hĺbky zeme na jej povrch sa odhaduje na 4 × 1010 kW, vo vzťahu k povrchu zeme je to asi 0,7 kWh/(m².rok). Na priame využitie je táto hodnota príliš nízka, pokiaľ sa neuvažuje s anomáliou, akou sú napr. horúce vody. Tie sú uzavreté v podzemnom rezervoári a okrem formy gejzíru nemajú žiadne prirodzené spojenie s povrchom. Termické využitie podložia je v súčasnosti medzi vedcami a technikmi rozšírenou témou. Rozlišuje sa využitie spodnej vody prostredníctvom studní, podpovrchového podložia kolektormi zemského tepla a sondy zemského tepla, pričom sa ako nosič tepla („energetické pilóty“) používajú aj základové pilóty. Vo všetkých týchto prípadoch sa na dosiahnutie potrebnej teploty teplonosnej látky používajú tepelné čerpadlá. Úplne inú a podstatne hospodárnejšiu cestu zvolil Dipl. Ing. Edmond D.

Krecké, ktorý priamo využíva podpovrchové zemské teplo podporované slnečným teplom. Je známe, že v hĺbke asi 2 m pod povrchom zeme je stála teplota zeminy 5 až 10 °C, a to v lete aj v zime, nezávisle od zemskej atmosféry. Niekedy sa táto teplota nazýva „pivničnou teplotou“. V zime ju pociťujeme ako teplo a v lete ako chlad. Množstvo energie na vykurovanie budovy sa určuje podľa jednotlivých teplotných rozdielov medzi exteriérom a interiérom. Ak by sa táto „nevyčerpateľná energia“ uzavrela v obvodových fasádach budovy vo forme teploty s hodnotou 10 °C, vytvorila by sa tepelná bariéra. Energetická spotreba budovy by tak závisela len od rozdielu vnútornej teploty od teploty tepelnej bariéry bez ohľadu na to, ako klesne vonkajšia teplota.

Ako však môžu byť obvodové steny zásobované zemským teplom? V podlahe pivnice, resp. v hĺbke asi 2 až 3 m pod zemským povrchom, sa položí potrubie, v ktorom cirkulujúca voda absorbuje zemské teplo. Čerpadlom sa potom dopraví do potrubného systému vo vonkajších stenách podobne, ako to je pri stenovom veľkoplošnom vykurovaní.

Dôležitou podmienkou však je, aby sa izolovala základová doska budovy (nepodpivničenej aj podpivničenej). Prúd tepla prichádzajúci z vnútra zeme sa potom pod základovou doskou zastaví a teplota stúpa až kým sa nedosiahne rovnováha s prúdom tepla unikajúcim do atmosféry po stranách budovy. Teplota sa samozrejme zvýši aj vtedy, ak budova nie je priamo vykurovaná. Nárast teploty okrem iného závisí aj od hĺbky základov a pôdorysnej plochy budovy. Jeho hodnota je v súčasnosti 2 až 4 Kelviny (K), takže teplota v tepelnej bariére dosahuje asi 10 až 12 °C a o spotrebe energie rozhoduje teplotný rozdiel ∆t = 20 °C – 12 °C (10 °C) = 8 K (10 K). Trendom je tento teplotný rozdiel ďalej znižovať, teda zvyšovať teplotu v tepelnej bariére až na teplotu vykurovaného interiéru bez potrebného prísunu energie. V interiéri sa samozrejme zohľadňujú aj solárne zisky, ale aj zisky od vnútorných zdrojov – od užívateľa, ale aj od všetkých spotrebičov (TV, PC, varenie, atď.). Tu prišiel fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké na myšlienku využiť ďalší, nevyčerpateľný, výkonný a lacný zdroj energie – slnko. Ako Slovensko, tak aj Česká republika majú vhodné podmienky na exploatáciu slnečnej energie na vykurovanie obytných stavieb a na prípravu teplej vody. Ide najmä o intenzitu slnečného žiarenia a počet hodín jeho svitu. Klimatické podmienky nie sú také atraktívne ako v Stredomorí, ale sú oveľa priaznivejšie ako napr. v Škandinávii či Švajčiarsku a Rakúsku, kde je výstavba slnečných domov na dedinách rozšírená a štátom výrazne podporovaná. Priemerný ročný objem slnečného žiarenia v našich podmienkach predstavuje energiu asi 1 200 kWh/(m².rok) ročne pri horizontálnych plochách. Je to vysoký energetický potenciál slnečnej energie, ktorý možno využiť „zadarmo“. Najmä výškové budovy môžu na absorpciu slnečnej energie využiť okrem šikmých a horizontálnych plôch striech aj vertikálne plochy stien. Vďaka slnku má ľudstvo k dispozícii zdroj energie, s ktorým môže vytvárať tepelnú pohodu v budovách prakticky zdarma. Vďaka zemi máme k dispozícii zdroj energie na chladenie, ako aj akumulátor na ukladanie solárneho tepla. Využitie solárnej energie spolu s podpovrchovou geotermickou energiou spája jednoduchým spôsobom výhody oboch princípov – solárnej techniky a využitia zemského tepla. Mnohé už zrealizované príklady vo všetkých klimatických podmienkach dokazujú účinnosť tohto systému, ktorý je z pohľadu výrobných, ale aj prevádzkových nákladov nízko nákladový.

Na výstavbu energeticky nízkoenergetických a pasívnych domov sa štandardne používa drevo v kombinácii s vysokoúčinnými tepelnými izolantmi. V posledných rokoch sa objavilo niekoľko nízkoenergetických domov postavených z tradičných stavebných materiálov. Tieto domy využívajú aktívnu tepelnú ochranu budovy. Ide o systémy, ktoré využívajú solárnu a geo­termickú energiu. Dom na zachytávanie tepla zo slnečného žiarenia používa najmä energetickú strechu a zachytené teplo sa ukladá v zemnom zásobníku tepla. Dom používa aktívnu tepelnú ochranu (tzv. tepelné bariéry). Objekt sa nepretržite vetrá núteným mechanickým vetraním s rekuperáciou tepla. Na rekuperáciu tepla sa používa nerezový protiprúdový výmenník tepla (vzduch – vzduch) umiestnený v zemi v nasávacom objekte. Nerezová rúra sa vedie v zemi od nasávacieho objektu okolo domu a vstupuje do zemného zásobníka tepla. V zimnom období sa čerstvý vzduch predohreje v zemi a súčasne sa ohrieva od znečisteného interiérového vzduchu. Potom sa dohreje na interiérovú teplotu v zemnom zásobníku tepla. V letnom období sa teplý čerstvý vzduch privádza do zemného zásobníka tepla (ohrieva zásobník), potom sa vedie zemou mimo zásobníka, kde sa ochladí a následne sa privádza do interiéru. V lete sa môže použiť prídavné chladenie interiéru pomocou vody ochladenej v zemi. V dome sa používa veľmi dômyselné efektívne vetranie na celoročné zabezpečenie kvalitného vnútorného prostredia. Tepelné straty v zimnom období sa vykrývajú teplom uskladneným v zemnom zásobníku tepla. Toto teplo sa vedie do vnútornej tepelnej bariéry a do vonkajšej tepelnej bariéry sa vedie geotermické teplo.

Stavebná technológia umožňuje veľmi rýchlu výstavbu. Nerezový výmenník tepla sa vyrobí za niekoľko hodín priamo na stavbe, čím odpadá preprava niekoľko desiatok metrov dlhej rúry na stavenisko. Rúra sa prisype zeminou a urobia sa vystužovacie práce na základovej doske. Medzi výstuž sa umiestnia plastové potrubia. Po zhotovení základovej dosky sa na stavbe osadí stratené debnenie stien a  zaleje sa betónom. Stratené debnenie stien je z dvoch polystyrénových dosiek spojených špeciálnymi spojovacími prvkami. Na stropnú konštrukciu sa taktiež použije stratené debnenie. Stavebný systém umožňuje použitie šikmých aj plochých striech. Do strechy sa umiestnia plastové potrubia, ktorými sa v letnom období odvádza teplo do zemného zásobníka tepla. Po dokončení hrubej stavby sa zemný zásobník tepla zaizoluje vysokoúčinnou tepelnou izoláciou. V dome treba použiť výplne otvorov, ktoré spĺňajú požiadavky na nízkoenergetické (pasívne) domy. Polystyrén použitý v stratenom debnení sa omieta omietkovými systémami, ktoré sa používajú pri kontaktných zatepľovacích systémoch.

Systémy na báze biomasy
Biomasa sa môže nasadiť ako vhodný zdroj tepelnej energie i v nízkoenergetických objektoch. Pri návrhu treba však mať na pamäti zvýšené požiadavky na skladovanie, manipuláciu s palivom a vzniknutým odpadom po procese spaľovania.

Vhodným zdrojom tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody je diaľkový zdroj, najmä ak sa teplo vyrába v centrálnej kotolni na biomasu či bioplyn. V centrálnej kotolni sa odporúča vybudovať veľkokapacitný zásobník tepla, na ktorý sa napoja solárne kolektory umiestnené na strechách jednotlivých domov (či kotolne). Na ohrievanie vody v zásobníku sa taktiež môže využiť  geotermálna energia. Tento spôsob predstavuje ekologickú, efektívnu a pohodlnú formu dodávky tepla.

Energetické systémy na vykurovanie nízkoenergetických objektov z hľadiska prevažného spôsobu odovzdávania tepla do priestoru možno rozdeliť na :

• konvekčné systémy,
• sálavé systémy,
• kombinované systémy.

Konvekčné systémy
Pri konvekčnom spôsobe vykurovania sa teplo z vykurovacieho telesa šíri prúdením a priamo ohrieva vzduch. Od tepla vzduchu sa ďalej ohrievajú okolité stavebné konštrukcie. Platí pritom, že teplota vzduchu je vyššia ako teplota okolitých plôch, resp. tzv. účinná povrchová teplota okolitých plôch. Súčasne je tým nižšia (v závislosti od teploty vzduchu), čím menšia je tepelnoizolačná schopnosť (tepelný odpor) stavebných konštrukcií ohraničujúcich interiér, a čím nižšia je vonkajšia teplota vzduchu. Avšak pri stavebných konštrukciách (obzvlášť obvodových) s dostatočnou tepelnoizolačnou schopnosťou, je potom rozdiel medzi teplotou vzduchu a účinnou teplotou okolitých plôch v rozmedzí 2 až 3 K.

Sálavé systémy
Tento spôsob vykurovania je založený na odovzdávaní tepelného toku sálaním. Platí pritom, že účinná povrchová teplota okolitých plôch je vyššia ako teplota vzduchu. Ak sa sálavá vykurovacia plocha umiestni v jednej alebo na jednej zo stavebných konštrukcií (najčastejšie strop, podlaha alebo stena)  hovorí sa o veľkoplošnom sálavom vykurovaní. Vychádzajúc z podmienky, že teplota vzduchu je menšia ako účinná teplota okolitých plôch, potom teplota vzduchu je tým nižšia od účinnej teploty, čím menšia je tepelnoizolačná schopnosť ohraničujúcich stavebných konštrukcií, a čím nižšia je vonkajšia teplota vzduchu.

Kombinované systémy
Vývoj vedy a techniky v oblasti vykurovania budov priniesol i nový trend tzv. kombinovaného vykurovania. Teplo sa odovzdáva sálaním i konvekciou súčasne buď v jednom vykurovanom priestore, alebo v stavebnom objekte ako celku s odlíšením jednotlivých priestorov (podlaží, zón, miestností, …) podľa charakteru prenosu tepla a hmoty. Možné sú viaceré kombinácie systémov z hľadiska spôsobu odovzdávania tepla, napríklad: konvekčný-konvekčný, konvekčný-sálavý, sálavý-sálavý.

Zaujímavou kombináciou, z energetického i hygienického hľadiska, je kombinácia nízkoteplotného sálavého vykurovania s konvekčným teplovzdušným vykurovaním (chladením). Implementácia nízkoteplotného vykurovania a chladenia môže viesť k znižovaniu energetickej závislosti od ušľachtilých palív. Príkladom takýchto systémov sú termálne aktivované stavebné konštrukcie (TABS). Pojem „termálne aktivované časti“ sa zvyčajne používa pre konštrukcie, v ktorých tok teplonosnej látky ohrieva, alebo ochladzuje celú konštrukciu a následne i okolité priestory. Nazývajú sa aj hybridné systémy, odkedy sa začali stavebné konštrukcie využívať ako teplovýmenné plochy (Schmidt a Johannesson 2002). Takto sa tieto systémy stali kombináciou aktívnych a pasívnych systémov a vznikli hybridné systémy (Gertis 1982, Johannesson 1984).Tieto systémy sú implementované do stavebných konštrukcií ako sú steny, stropy, podlahy. Keďže sa nachádzajú v blízkom kontakte s obyvateľmi budov, stanovili sa dovolené hodnoty operatívnej teploty. (Strand 1995). Z dôvodu nízkej teplotnej diferencie medzi teplotou teplonosnej látky a teplotou vnútorného prostredia v budove, je špecifický tepelný vykurovací výkon pri vykurovaní konštrukcie v budove obmedzený. Z toho dôvodu treba minimalizovať tepelné straty v zimnom období a v letnom období treba využívať dôkladné zatienenie transparentných plôch.

Špeciálnou výhodou tohto systému je využitie tepelnej kapacity materiálu stavebnej konštrukcie na akumuláciu tepla v konštrukcii a tepelná výmena pri nízkych teplotných rozdieloch medzi teplotou v miestnosti a teplotou vykurovacej alebo chladiacej látky. Ako teplonosná látka môže slúžiť roztok na báze vody alebo vzduch.

K výmene tepla dochádza v samotnej stavebnej konštrukcii, pričom je rozhodujúce odovzdávanie tepla do konštrukcie a nie do sekundárnej teplonosnej látky tak, ako to je pri klasických tepelných výmenníkoch.
Pri voľbe vykurovacieho systému možno konštatovať: čím sa teplota vzduchu a okolitých plôch od seba odlišujú, tým je ochladzovanie človeka príjemnejšie. Z tohto hľadiska je hygienicky najvýhodnejšie vykurovanie, pri ktorom sa všetky ochladzované plochy miestnosti zabezpečia vykurovacími plochami. Takto vytvorené teplotné pomery môžeme prirovnať k teplotným pomerom počas príjemného letného dňa v nevykúrenej miestnosti.

doc. Ing. Daniel Kalús, PhD., Ing. Martin Keszegh, Ing. Martin Cvíčela, Stavebná fakulta STU, Bratislava

Článok je súčasťou knižnej publikácie Stavebnícka ročenka 2009.