Podlahovรฉ vykurovanie v kombinรกcii s tradiฤnรฝmi a obnoviteฤพnรฝmi zdrojmi tepla
Smernica Eร o energetickej hospodรกrnosti budov (Directive 2010/31/EU) poลพaduje, aby vลกetky novรฉ budovy postavenรฉ po roku 2020 spฤบลali ลกtandard budov s takmer nulovou potrebou energie. Z pohฤพadu zabezpeฤenia tepelnej pohody vykurovanรญm to znamenรก znรญลพiลฅ tepelnรฉ straty prechodom cez teplovรฝmennรฝ obal budovy a vetranรญm a nรกsledne pokryลฅ zostรกvajรบce malรฉ mnoลพstvo energie najmรค โzelenouโ energiou z obnoviteฤพnรฝch zdrojov.
Napriek tomu sa v sรบฤasnosti vรคฤลกina novรฝch rodinnรฝch domov na Slovensku vykuruje pomocou energie vyrobenej z fosรญlnych palรญv โ plynovรฝm kondenzaฤnรฝm kotlom, elektrickรฝm kotlom ฤi elektrickรฝm podlahovรฝm vykurovanรญm. Prรญspevok sa zaoberรก porovnanรญm energetickej nรกroฤnosti podlahovรฉho vykurovania kombinovanรฉho s tradiฤnรฝmi zdrojmi tepla a s tepelnรฝm ฤerpadlom.
Budovy majรบ na celkovej spotrebe energie v Eurรณpskej รบnii podiel takmer 40 % [1]. S cieฤพom zvyลกovania energetickej hospodรกrnosti budov vyjadrenej najmรค potrebou primรกrnej energie sa v poslednรฝch rokoch zaviedli do praxe viacerรฉ prรกvne predpisy [2, 3, 4, 5]. Zvรฝลกenie hrรบbky a kvality tepelnej izolรกcie viedlo k znรญลพeniu potreby tepla na vykurovanie a umoลพnilo ลกirลกie vyuลพitie nรญzkoteplotnรฝch sรกlavรฝch vykurovacรญch systรฉmov vo forme teplovodnรฉho podlahovรฉho vykurovania ฤi elektrickรฝch vykurovacรญch rohoลพรญ.
Nรกstup teplovodnรฝch sรกlavรฝch systรฉmov nรกsledne vฤaka teplote vykurovacej lรกtky blรญzkej teplote vzduchu v interiรฉri vรฝrazne rozลกรญril moลพnosti vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov, ako sรบ tepelnรฉ ฤerpadlรก, solรกrne kolektory ฤi geotermรกlna energia na vykurovanie. Aj napriek klesajรบcej potrebe energie na vykurovanie vลกak potreba primรกrnej energie, ktorรก zรกvisรญ od energetickรฉho nosiฤa, mรดลพe byลฅ v dรดsledku vyuลพรญvania fosรญlnych palรญv pomerne vysokรก.
Sรกlavรฉ vykurovacie systรฉmy sรบ z hฤพadiska fyzikรกlneho princรญpu ich ฤinnosti komplexnรฝmi systรฉmami. Hoci sa teplo ลกรญri najmรค sรกlanรญm, vรฝraznรก ฤasลฅ sa odovzdรกva aj prรบdenรญm. V beลพnej praxi sa ฤinnosลฅ sรกlavรฝch vykurovacรญch systรฉmov opisuje ฤasto zjednoduลกenรฝmi matematickรฝmi modelmi. Na podrobnรฉ skรบmanie ich energetickej nรกroฤnosti treba pouลพiลฅ dynamickรฉ poฤรญtaฤovรฉ simulรกcie. V tejto ลกtรบdii sa na porovnanie energetickej nรกroฤnosti ลกtyroch variantov vykurovania jednopodlaลพnรฉho rodinnรฉho domu vyuลพรญva dynamickรก poฤรญtaฤovรก simulรกcia pomocou programu Trnsys.
Predmetnรฉ varianty reprezentujรบ typickรฉ vykurovacie systรฉmy inลกtalovanรฉ v rodinnรฝch domoch na Slovensku โ teplovodnรฉ podlahovรฉ vykurovanie v kombinรกcii s plynovรฝm kondenzaฤnรฝm kotlom, resp. v kombinรกcii s elektrokotlom, elektrickรฉ podlahovรฉ vykurovanie a teplovodnรฉ podlahovรฉ vykurovanie s obnoviteฤพnรฝm zdrojom energie โ tepelnรฝm ฤerpadlom vzduch โ voda. Varianty sa porovnali z hฤพadiska roฤnej potreby energie a roฤnej potreby primรกrnej energie na vykurovanie.
Objekt
Na รบฤely ลกtรบdie sa navrhol samostatne stojaci jednopodlaลพnรฝ rodinnรฝ dom s mernou podlahovou plochou 144 m2 a svetlou vรฝลกkou 2,8 m. Rodinnรฝ dom je situovanรฝ v zรกstavbe podobnรฝch jednopodlaลพnรฝch rodinnรฝch domov na rovinatom pozemku v blรญzkosti Bratislavy. Objekt mรก tvar pรญsmena โLโ s maximรกlnymi vonkajลกรญmi rozmermi 15,0 ร 15,0 m.
Tepelnotechnickรฉ parametre obalovรฝch konลกtrukciรญ vyhovujรบ poลพiadavkรกm uvedenรฝm v STN 73 0540-2/Z1 [6]. Sรบฤiniteฤพ prechodu tepla obvodovej steny je 0,19 W/(m2 . K), sรบฤiniteฤพ prechodu tepla plochej strechy je 0,13 W/(m2 . K) a tepelnรฝ odpor podlahy na terรฉne je 3,06 (m2 . K)/W. Otvorovรฉ konลกtrukcie sรบ plastovรฉ, zasklenรฉ izolaฤnรฝm trojsklom s Uw = 1,0 W/(m2 . K).
Prevรกdzka budovy
V rodinnom dome bรฝvajรบ ลกtyri osoby, kaลพdรก z nich produkuje poฤas svojej prรญtomnosti tepelnรฝ zisk 100 W. Objekt je plne obsadenรฝ vลกetkรฝmi osobami veฤer a v noci medzi 18:00 aลพ 7:00, v ฤase medzi 7:00 โ 15:00 je rodinnรฝ dom prรกzdny a medzi 15:00 a 18:00 sa v dome nachรกdzajรบ dve osoby. Umelรฉ osvetlenie produkuje tepelnรฝ zisk 5 W/m2 a elektrickรฉ spotrebiฤe produkujรบ tepelnรฝ zisk 140 W. Rodinnรฝ dom sa vetrรก prirodzene infiltrรกciou a manuรกlnym vetranรญm oknami. Na รบฤely simulรกcie je nastavenรก konลกtantnรก vรฝmena vzduchu 0,3 1/h. V rรกmci vลกetkรฝch dnรญ v roku je v simulaฤnom programe nastavenรฝ rovnakรฝ ฤasovรฝ harmonogram.
Vykurovacรญ systรฉm
Odovzdรกvanie tepla
V troch prรญpadoch sa poฤรญtalo s vykurovanรญm nรญzkoteplotnรฝm podlahovรฝm vykurovanรญm pozostรกvajรบcim z vykurovacรญch hadov inลกtalovanรฝch v roznรกลกacom podlahovom potere. Rรบrky mali vonkajลกรญ priemer 0,02 m a boli inลกtalovanรฉ s rozstupom 0,2 m. Vzhฤพadom na plochu a pรดdorysnรฝ tvar uvaลพovanรฉho objektu sa navrhlo 8 vykurovacรญch okruhov, ktorรฉ sa napojili na centrรกlny rozdeฤพovaฤ a zberaฤ podlahovรฉho vykurovania.
Medzi zdrojom tepla (plynovรฝm kotlom, elektrokotlom, akumulaฤnรฝm zรกsobnรญkom) a rozdeฤพovaฤom sa nachรกdzalo potrubie s dฤบลพkou 10 m a s priemerom 0,04 m. Pri vykurovacom systรฉme sa poฤรญtalo s nรบtenรฝm obehom vykurovacej lรกtky pomocou obehovรฝch ฤerpadiel. V prรญpade elektrickรฉho podlahovรฉho vykurovania sรบ odporovรฉ kรกble umiestnenรฉ pod nรกลกฤพapnou vrstvou podlahy.
Zdroj tepla
V prรญpade plynovรฉho kondenzaฤnรฉho kotla sa poฤรญtalo s modelom s nominรกlnym vรฝkonom 13 kW, minimรกlnym vรฝkonom 20 % a s konลกtantnou รบฤinnosลฅou 97 %.
Elektrokotol mal maximรกlny vรฝkon 9 kW, minimรกlny vรฝkon rovnako 20 % a รบฤinnosลฅ 95 %. Konลกtantnรก รบฤinnosลฅ pri oboch kotloch sa na รบฤely simulรกcie nastavila z dรดvodu obmedzenia v simulaฤnom softvรฉri, kde nie je pri zvolenom matematickom modeli kotla moลพnรฉ zohฤพadniลฅ kondenzรกcie spalรญn ani nastaviลฅ รบฤinnosลฅ nad 100 %.
Maximรกlny vykurovacรญ vรฝkon tepelnรฉho ฤerpadla bol 9 kW s priemernรฝm vรฝkonovรฝm ฤรญslom (COP) 3,9. Pri pouลพitรญ tepelnรฉho ฤerpadla sa do vykurovacieho systรฉmu integroval akumulaฤnรฝ zรกsobnรญk s objemom 350 litrov. Elektrickรฉ vykurovacie rohoลพe mali maximรกlny vรฝkon 6 kW a pracovali s vรฝkonom 0/100 %.
Regulรกcia vykurovacieho systรฉmu
Na รบฤely energetickej simulรกcie sa poฤรญtalo s celรฝm objektom ako s jednou vykurovacou zรณnou. Pri vykurovacรญch systรฉmoch s teplonosnou lรกtkou voda bol systรฉm regulovanรฝ na zdroji tepla ekvitermicky s obmedzenรญm maximรกlnej teploty vykurovacej vody na 40 ยฐC poฤas pobytu osรดb v rodinnom dome a na 35 ยฐC poฤas udrลพiavania teploty v ฤase neprรญtomnosti obyvateฤพov.
ลฝelanรก teplota vnรบtornรฉho vzduchu sa pohybovala v rozmedzรญ 20 aลพ 22 ยฐC a bola regulovanรก jednรฝm centrรกlnym PI regulรกtorom. Priebeh maximรกlnych nastavenรฝch teplรดt teplonosnej lรกtky, ลพelanej teploty vzduchu a prรญtomnosลฅ osรดb v priestore sรบ zobrazenรฉ na obr. 1. Pri elektrickรฝch vykurovacรญch rohoลพiach sa zvolila plynulรก regulรกcia vรฝkonu v zรกvislosti od teploty vnรบtornรฉho vzduchu.
Obr. 1 Maximรกlna teplota vykurovacej vody Tmax (ฤiarkovanรก ฤiara), ลพelanรก teplota vnรบtornรฉho vzduchu (plnรก ฤiara) a prรญtomnosลฅ obyvateฤพov v rodinnom dome poฤas 24 hodรญn simulรกcie
Potreba primรกrnej energie
Pomocou dynamickej poฤรญtaฤovej simulรกcie v programe Trnsys sa vypoฤรญtala potreba energie pri vลกetkรฝch ลกtyroch variantoch vykurovacieho systรฉmu poฤas jeho roฤnej prevรกdzky. ฤasovรฝ krok vรฝpoฤtu bol 30 minรบt. Na vรฝpoฤet primรกrnej energie sa pouลพil vzorec (1) a faktor primรกrnej energie 1,1 pri zemnom plyne, resp. 2,2 pri elektrickej energii [5]. Platรญ, ลพe
kde
Eprim je mnoลพstvo primรกrnej energie pri zvolenom energetickom nosiฤi (kWh/m2);
Econsumed โ dodanรฉ mnoลพstvo energie na vy- kurovanie zo zemnรฉho plynu alebo z elektrickej energie, ktorรฉ bolo vรฝsledkom simulรกcie (kWh/m2);
CPE โ faktor primรกrnej energie.
Celkovรฉ mnoลพstvo dodanej energie na vykurovanie pozostรกva z potreby tepla na vykurovanie, tepelnรฝch strรกt spรดsobenรฝch nedokonalรฝm odovzdรกvanรญm tepla, tepelnรฝch strรกt z distribuฤnรฉho systรฉmu, z akumulรกcie tepla v prรญpade akumulaฤnรฉho zรกsobnรญka a z tepla potrebnรฉho na pokrytie strรกt pri vรฝrobe. Prehฤพad energie dodanej v palive, vlastnej spotreby energie na pohon cirkulaฤnรฝch ฤerpadiel a celkovej primรกrnej energie pri jednotlivรฝch variantoch vykurovania inลกtalovanรฉho v rodinnom dome je uvedenรฝ v tab. 1.
Diskusia
Rozdiel v potrebe energie na vykurovanie pri pouลพitรญ nรญzkoteplotnรฉho podlahovรฉho vykurovania v kombinรกcii s plynovรฝm kondenzaฤnรฝm kotlom a elektrokotlom je 2 %. Dรดvodom je rozdiel v รบฤinnosti oboch kotlov. Potreba energie na vykurovanie elektrickรฝmi podlahovรฝmi rohoลพami je o 24 aลพ 26 % niลพลกia v dรดsledku presnej a flexibilnej regulรกcie s malรฝmi teplotnรฝmi vรฝkyvmi a stabilnou teplotou interiรฉru. Vykurovacรญ systรฉm s tepelnรฝm ฤerpadlom mal najniลพลกiu potrebu energie, len 1/4 aลพ 1/3 v porovnanรญ s tradiฤnรฝmi zdrojmi tepla.
Pri porovnanรญ potreby primรกrnej energie v rรกmci jednotlivรฝch variantov sรบ vรฝsledky odliลกnรฉ. Kรฝm vykurovacรญ systรฉm s plynovรฝm kondenzaฤnรฝm kotlom spotrebuje 91 kWh/(m2 . a) primรกrnej energie, rovnakรฝ vykurovacรญ systรฉm s elektrokotlom spotrebuje 185 kWh/(m2 . a) primรกrnej energie, ฤo predstavuje nรกrast o 103 %.
Elektrickรฉ vykurovacie rohoลพe majรบ napriek niลพลกej potrebe energie na vykurovanie v porovnanรญ s tradiฤnรฝmi zdrojmi potrebu primรกrnej energie oproti kondenzaฤnรฉmu kotlu vyลกลกiu o 51 %. Najvรฝhodnejลกรญm variantom z pohฤพadu primรกrnej energie je tepelnรฉ ฤerpadlo, pri ktorom je potreba primรกrnej energie o 98 aลพ 302 % niลพลกia v porovnanรญ s variantmi vyuลพรญvajรบcimi tradiฤnรฉ zdroje tepla.
Zรกver
ล tรบdia preukรกzala moลพnosti aplikรกcie dynamickej poฤรญtaฤovej simulรกcie pri vรฝpoฤte energetickej bilancie vykurovacieho systรฉmu. Vรฝhodou takejto simulรกcie je schopnosลฅ zachytiลฅ dynamickรฉ zmeny a procesy, ktorรฉ prebiehajรบ vo vykurovacom systรฉme vzhฤพadom na veฤพmi malรฝ vรฝpoฤtovรฝ krok (v tomto prรญpade 30 minรบt) a prepracovanรฝ matematicko-fyzikรกlny model. Simulรกcia potvrdila potenciรกl redukcie potreby primรกrnej energie tepelnรฝm ฤerpadlom v porovnanรญ s tradiฤnรฝmi zdrojmi energie, a to aลพ v rozsahu stoviek percent.
Predmetom ลกtรบdie nebola prรญprava teplej vody, na ktorรบ sa v rodinnรฝch domoch ฤasto vyuลพรญva rovnakรฝ zdroj tepla ako na vykurovanie. Rovnako nebolo predmetom ลกtรบdie porovnanie ekonomickej vรฝhodnosti variantov. V praxi je stรกle ฤastรฝm javom uprednostลovanie tradiฤnรฝch zdrojov energie najmรค pre ich priaznivรฉ investiฤnรฉ nรกklady. Naopak, rozลกรญreniu vyuลพรญvania tepelnรฝch ฤerpadiel brรกnia zvyฤajne prรกve vyลกลกie investiฤnรฉ nรกklady v porovnanรญ s tradiฤnรฝmi zdrojmi tepla.
Ing. Lucia Kudivรกni, doc. Ing. Michal Krajฤรญk, PhD.
Autori pรดsobia na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Daniela Koudelkovรก, PhD.
Prรกca bola podporenรก Agentรบrou na podporu vรฝskumu a vรฝvoja na zรกklade Zmluvy ฤ. DS-2016-0030 a grantom VEGA ฤ. 1/0807/17.
Obrรกzok: autori
Ilustraฤnรฉ foto: Viessmann
Literatรบra
- Smernica Eurรณpskeho parlamentu a Rady 2010/31/Eร o energetickej hospodรกrnosti budov.
- Zรกkon ฤ. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodรกrnosti budov a o zmene a doplnenรญ niektorรฝch zรกkonov.
- Zรกkon ฤ. 300/2012 Z. z., ktorรฝm sa menรญ zรกkon ฤ. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodรกrnosti budov.
- Vyhlรกลกka Ministerstva dopravy, vรฝstavby a regionรกlneho rozvoja Slovenskej republiky ฤ. 364/2012 Z. z., ktorou sa vykonรกva zรกkon ฤ. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodรกrnosti budov a o zmene a doplnenรญ niektorรฝch zรกkonov v znenรญ neskorลกรญch predpisov.
- Vyhlรกลกka Ministerstva dopravy, vรฝstavby a regionรกlneho rozvoja Slovenskej republiky ฤ. 324/2016 Z. z., ktorou sa vykonรกva zรกkon ฤ. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodรกrnosti budov a o zmene a doplnenรญ niektorรฝch zรกkonov v znenรญ neskorลกรญch predpisov.
- STN 73 0540-2/Z1 Tepelnรก ochrana budov. Tepelnotechnickรฉ vlastnosti stavebnรฝch konลกtrukciรญ a budov. ฤasลฅ 2: Funkฤnรฉ poลพiadavky.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2017.