Energeticky úsporné opatrenia a ich vplyv na vykurovacie telesá

Aplikácia energeticky úsporných opatrení je v súčasnosti na Slovensku bežnou praxou, ktorú si vyžiadali nielen vysoké ceny energie a aktuálne legislatívne predpisy, ale aj potreby človeka mať komfortné podmienky v priestore, v ktorom sa dlhodobo zdržuje. Medzi najčastejšie aplikované energeticky úsporné opatrenia patria tie, ktoré vplývajú na konštrukciu budovy (zvyčajne ide o výmenu okien, zateplenie obvodového plášťa a strechy), a potom tie, čo sa priamo dotýkajú vykurovacieho systému. Aj opatrenia súvisiace s konštrukciou budovy však majú vplyv na vykurovacie telesá.

Úvod
Pri energeticky úsporných opatreniach, ktoré sa dotýkajú vykurovacieho systému, ide zvyčajne o výmenu vykurovacích telies, regulačných armatúr, potrubných rozvodov, ale aj zdrojov tepla. Uskutočnenie všetkých týchto opatrení je investične náročné a z hľadiska návratnosti často nerentabilné. Spravidla sa pristupuje len k tým krokom, ktoré sú z hľadiska predpisov a úspor energie nevyhnutné. Pozornosť budeme preto ďalej venovať energeticky úsporným opatreniam, ktoré súvisia s konštrukciou budovy, a ich vplyvu na výkonové parametre vykurovacieho telesa.

Výkonové parametre vykurovacieho telesa po zavedení energeticky úsporných opatrení
Energeticky úsporné opatrenia vplývajúce na konštrukciu budovy majú jednoznačne vplyv aj na výkonové parametre vykurovacieho telesa. Po energeticky úsporných opatreniach sa znižujú tepelné straty budovy a vykurovacie telesá sa tak stávajú „predimenzovanými“ prvkami vykurovacieho systému. Ak sa nechajú v pôvodnom stave, zavedenie energeticky úsporných opatrení konštrukčného charakteru je neúčinné. Preto treba vykonať aj energeticky úsporné opatrenia vplývajúce na vykurovací systém, ktorého súčasťou sú tieto vykurovacie telesá, slúžiace zároveň ako konečný článok pri odovzdaní tepelnej energie do prostredia.

Výkon vykurovacieho telesa možno teda meniť:

• zmenou teplotného spádu – teploty prívodnej a vratnej vykurovacej vody,
• výmenou vykurovacieho telesa.

Investične najmenej náročná je zmena výkonu vykurovacieho telesa zmenou teplotného spádu vykurovacej vody, ktorý je pre všetky vykurovacie telesá vo vykurovacej sústave rovnaký. Požiadavka na zmenu výkonu vykurovacieho telesa je však v dôsledku rôznorodosti miestností z hľadiska ich rozmerov a konštrukcie rozmanitá, takže zmena výkonu vykurovacieho telesa prináša problémy. Aký teplotný spád voliť pre novú sústavu a kedy radšej vymeniť vykurovacie telesá z dôvodu prekurovania alebo nedokurovania miestnosti? Na tieto otázky sa zameriame na príklade troch aplikácií energeticky úsporných opatrení, a to:

• výmeny okien,
• výmeny okien a zateplenia obvodovej steny,
• výmeny okien, zateplenia obvodovej steny a zateplenia strechy.

Vplyv energeticky úsporných opatrení sa bude posudzovať pri dvoch rovnakých susedných miestnostiach – v krajnom (K) a strednom (S) trakte objektu, ktorý patrí do jestvujúcej panelovej výstavby z roku 1980. Účinnosť opatrení sa porovnáva v miestnostiach na typickom podlaží (201K, 201S) a na najvyššom podlaží (801K, 801S). Vykurovacie telesá sú článkové s pôvodným teplotným spádom vykurovacej sústavy 90/70 °C. Tepelné straty miestností (požiadavky na výkonové parametre vykurovacieho telesa) pred zavedením energeticky úsporných opatrení a po nich sú uvedené v tab. 1 a znázornené na obrázku.

Tab.1 Tepelné straty miestností a celého objektu pred zavedením energeticky úsporných opatrení a po nich

Súčinitele prechodu tepla U stavebných konštrukcií pred zavedením opatrení sú:

• vertikálna vonkajšia konštrukcia – obvodová stena   0,99 W/(m² . K)
• vertikálna vnútorná konštrukcia   2,20 W/(m² . K)
• horizontálna vnútorná konštrukcia   1,40 W/(m² . K)
• horizontálna vonkajšia konštrukcia – strecha   1,70 W/(m² . K)
• okná – drevené zdvojené  2,70 W/(m² . K)

Súčinitele prechodu tepla U stavebných konštrukcií po zavedení opatrení sú:

• vertikálna vonkajšia konštrukcia – obvodová stena     0,45 W/(m² . K)
• horizontálna vonkajšia konštrukcia – strecha     0,31 W/(m² . K)
• okná – drevené zdvojené  1,10 W/(m² . K)

Výpočet potrebnej strednej teploty vykurovacieho telesa θS, potrebného teplotného rozdielu prívodnej a vratnej vykurovacej vody (θp – teplota prívodnej vykurovacej vody, θv – teplota vratnej vykurovacej vody) a z toho vyplývajúceho teplotného spádu po zavedení jednotlivých energeticky úsporných opatrení je v tab. 2.
Otázkou je, ktorý z možných teplotných spádov pre jednotlivé vykurovacie telesá je najefektívnejšie voliť ako teplotný spád celej vykurovacej sústavy, teda všetkých vykurovacích telies. Pýtať sa treba tiež na to, do akého výkonu vykurovacieho telesa možno rozdiely medzi výkonom vykurovacieho telesa a tepelnou stratou miestnosti akceptovať a kedy je výhodné vymeniť existujúce vykurovacie teleso za nové – s vhodnejším tepelným výkonom.

Tab. 2 Teplotné parametre vykurovacieho telesa po zavedení jednotlivých energeticky úsporných opatrení

V praxi sa pri voľbe teplotného spádu vykurovacej sústavy často vychádza z hodnoty vyplývajúcej z vypočítanej tepelnej straty celej budovy podľa základnej rovnice

Φ = m . c . (θp – θv)   (W)   

kde    Φ    je    prenášaný tepelný výkon (W),
    c    –    špecifická tepelná kapacita (J/(kg . K)),
    θp    –    teplota prívodnej vykurovacej vody (°C),
    θv    –    teplota vratnej vykurovacej vody (°C).

Z rovnice sa potom určí teplotný rozdiel vykurovacej vody v prívodnom a vratnom potrubí za predpokladu zachovania pôvodného hmotnostného prietoku. Teplotný spád vykurovacej sústavy po zavedení jednotlivých energeticky úsporných opatrení je v tab. 3.

Tab. 3 Teplotné parametre vykurovacej sústavy po zavedení jednotlivých energeticky úsporných opatrení

Z porovnania teplotných spádov v tab. 2 a 3 je zrejmé, že skutočný potrebný teplotný spád pre jednotlivé vykurovacie telesá nie je zhodný s teplotným spádom určeným pre celú vykurovaciu sústavu, s ktorou sa počíta pri hydraulickom vyvážení vykurovacej sústavy. Pri jednotlivých vykurovacích telesách sa teda nebude meniť len teplotný spád, ale aj prietok vykurovacím telesom.

Voľba parametrov vykurovacieho telesa
V tab. 4, 5 a 6 je uvedený prepočet výkonu vykurovacieho telesa pri zmene teplotného spádu po zavedení jednotlivých opatrení. Uvedený je potrebný výkon vykurovacieho telesa, pôvodný výkon vykurovacieho telesa a prepočet výkonu vykurovacieho telesa a potrebného hmotnostného prietoku pri teplotnom spáde vyplývajúcom z tepelných strát celej budovy a pri teplotnom spáde vyplývajúcom z výkonovo najnepriaznivejšieho vykurovacieho telesa.

Tab. 4 Parametre vykurovacích telies po výmene okien pri volenom teplotnom spáde

Tab. 5 Parametre vykurovacích telies po výmene okien a zateplení obvodovej steny pri volenom teplotnom spáde


Tab. 6 Parametre vykurovacích telies po výmene okien, zateplení obvodovej steny a zateplení strechy pri volenom teplotnom spáde

Opatrenie č. 1 – výmena okien
Z tab. 4 vidieť, že vykurovacie telesá na najvyššom podlaží nedokážu pri zvolenom teplotnom spáde 80/64 °C pokryť tepelné straty miestnosti, keďže sa tu úspora tepla po zavedení opatrenia prejaví najmenej. Druhý variant pripúšťa možnosť počítať s teplotným spádom vykurovacej sústavy s hodnotou vyplývajúcou z výkonovo najnepriaznivejšieho vykurovacieho telesa (801K). Pri tejto možnosti budú vykurovacie telesá schopné pokryť potrebné výkony s tým, že sa akceptuje ich mierne prekurovanie v nižšie položených miestnostiach. V tomto prípade je však problém dosiahnuť avizovanú úsporu energie, keďže teplotný spád je vyšší než v prvom prípade. Otázkou teda je, či nie je vhodnejšie ponechať ako výsledné riešenie prvý prípad s nižším teplotným spádom, ale s bezpodmienečnou výmenou vykurovacích telies na najvyššom podlaží s výkonom zodpovedajúcim navrhovanému teplotnému spádu.

Ďalej z tab. 4 vidieť, že hmotnostný prietok vykurovacími telesami sa vplyvom zmeny teplotného spádu mení oproti pôvodným hodnotám pred vykonaním opatrení. Zmena hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave vyvoláva zmeny tlakových rozdielov. Čím je hmotnostný prietok menší, tým sú nižšie tlakové straty v potrubiach a armatúrach a naopak – zvyšuje sa výtlak čerpadla, ak sa použije čerpadlo bez regulácie otáčok. Treba si uvedomiť, že akákoľvek zmena tepelných strát miestnosti, a teda aj výkonu vykurovacieho telesa, pôsobí na hydraulické pomery vo vykurovacej sústave.

Opatrenie č. 2 – výmena okien a zateplenie obvodovej steny
Pri výmene okien a zateplení obvodového plášťa sa prejavia zmeny tepelných strát podobne ako v prípade výmeny okien. Odlišné je to, že najnepriaznivejším vykurovacím telesom sa stáva teleso v miestnosti 801S, v ktorej sa najmenej zmenili tepelné straty oproti ostatným miestnostiam. Riešenie je podobné ako v prípade výmeny okien, avšak s tým rozdielom, že kým pri výmene okien možno polemizovať medzi dvoma riešeniami, v tomto prípade je riešenie podľa druhej možnosti – čiže s teplotným spádom vyplývajúcim z najnepriaznivejšieho výkonu vykurovacieho telesa – neakceptovateľné. Dôvodom je nielen hľadisko nízkej úspory tepelnej energie vplyvom vyššej teploty vykurovacej vody, ale aj hľadisko bezpodmienečne vyššieho výkonu vykurovacieho telesa vzhľadom na potrebný výkon, a teda aj predimenzovania vykurovacieho telesa.

Predimenzovanie vykurovacieho telesa z hľadiska výkonu vyvoláva problém pôsobiaci na tepelnú pohodu človeka v miestnosti. Keďže vykurovacie telesá majú na zabezpečenie komfortu (zabezpečenie a udržanie požadovanej teploty v miestnosti) namontované ventily s termostatickou hlavicou, ich úlohou je ovládať výkon vykurovacieho telesa podľa aktuálnych tepelných strát miestnosti. Ak je teda teleso navrhnuté s predimenzovaním o 40 % ako v prípade telesa 201K, v skutočnosti sa využíva len 70 % výkonu vykurovacieho telesa. Toto číslo môže pri vyšších teplotách vonkajšieho vzduchu klesnúť dokonca až na 20 % výkonu vykurovacieho telesa. Vykurovacie teleso pracuje v spolupráci s termostatickým ventilom v režime vyššieho uzavretia ventilu, takže vratná vykurovacia voda vo vykurovacom telese sa ochladí viac. V dôsledku toho dochádza buď k poklesu povrchovej teploty vykurovacieho telesa (vykurovacie teleso pôsobí „studeným“ dojmom), alebo v závislosti od výkonu vykurovacieho telesa sa teplota vo vykurovacom telese rozvrství, čo sa prejaví tým, že vykurovacie teleso je teplé len v jeho časti. Často sa tento problém rieši nesprávne – ako problém nedostatočného výkonu vykurovacieho telesa s tendenciou vymeniť vykurovacie teleso za teleso s vyšším výkonom. To však jestvujúci problém ešte zhoršuje. V takomto prípade je správnym riešením práve opačný postup – výmena vykurovacieho telesa za teleso s nižším výkonom.

Opatrenie č. 3 – výmena okien, zateplenie obvodovej steny a zateplenie strechy
Kombinácia všetkých energeticky úsporných opatrení vplývajúcich na konštrukciu budovy jednoznačne poukazuje na nevhodnú voľbu teplotného spádu podľa vykurovacích telies na najvyššom podlaží, keďže zateplenie strechy ovplyvňuje v maximálnej miere výkon vykurovacích telies, ale len na najvyššom podlaží (tab. 1).

Voľbu teplotného spádu určujú vykurovacie telesá na typickom podlaží, pričom je nevyhnutná výmena vykurovacích telies na najvyššom podlaží. V prvom prípade vyžaduje teplotný spád 66/54 °C volený podľa tepelných strát budovy výmenu vykurovacích telies na najvyššom podlaží z hľadiska ich nedokurovania. V druhom prípade, naopak, teplotný spád 70/57 °C volený podľa najnepriaznivejšieho výkonu vykurovacieho telesa vyžaduje výmenu vykurovacích telies na najvyššom podlaží z hľadiska ich prekurovania, čo (podľa opatrenia č. 2) predstavuje takisto problém.

Tepelné straty miestností pred zavedením energeticky úsporných opatrení a po ňom

Záver
Energeticky úsporné opatrenia, medzi ktoré patrí výmena okien, zateplenie obvodového plášťa a zateplenie strechy, jednoznačne vyžadujú aj ďalšie opatrenia súvisiace s vykurovacou sústavou. V prvom rade sa úsporné opatrenia prejavia v znížení pôvodného teplotného spádu vykurovacej sústavy. Keďže sa však tepelné straty jednotlivých miestností menia rôzne, teplotný spád vykurovacej sústavy určujú vykurovacie telesá, ktoré sa vyskytujú v sústave v najväčšom počte – vykurovacie telesá na typickom podlaží. Ako teplotný spád vykurovacej sústavy po zavedení energeticky úsporných opatrení možno uvažovať hodnotu vyplývajúcu z tepelných strát celého objektu. V tomto prípade je však bezpodmienečne nevyhnutné preveriť výkony vykurovacích telies na najvyššom podlaží, respektíve pri štítovej stene – či už z hľadiska ich dostatočného výkonu, alebo, naopak, z hľadiska príliš veľkého výkonu.

Nadmerný výkon vykurovacieho telesa sú schopné spracovať ventily s termostatickou hlavicou, následkom však býva pocit „studeného sálania“ z vykurovacieho telesa alebo rozvrstvenie teplôt vo vykurovacom telese. V takomto prípade je z hľadiska komfortu užívateľa vhodnejšie vykurovacie teleso vymeniť.

Zmeny teplotného spádu vykurovacieho telesa prinášajú aj zmeny hmotnostného prietoku vo vykurovacej sústave. Pri zavedení energeticky úsporných opatrení je preto nevyhnutné vykurovaciu sústavu hydraulicky vyvážiť.

Príspevok vznikol v rámci projektu VEGA 1/0734/08 Stanovenie energetickej bilancie technických zariadení budov využívajúcich obnoviteľné zdroje energie pre energetický audit, certifikát a monitoring budov.

TEXT: Ing. Mária Kurčová
obrázok: archív autorky

Autorka pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Literatúra
1.    STN 73 0540 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 3: Vlastnosti prostredia a stavebných výrobkov. Časť 4: Výpočtové metódy.
2.    STN EN 12 831 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu.
3.    Petráš, D. a kol.: Vykurovanie rodinných a bytových domov, Bratislava: JAGA GROUP, 2005.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.