ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ KATEDRA TECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ BUDOV VARIANTY ŘEŠENÍ NÍZKOENERGETICKÉHO DOMU BAKALÁŘSKÁ PRÁCE PETR ŽÍŽALA Vedoucí bakalářské práce : Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Konzultant(i) : Ing. František Kulhánek, CSc. katedra Konstrukci pozemních staveb Ing. arch. Petr Žížala Atelier Žížala červen 2008 1
(vložit zadání BAPA formulář ČVUT) 2
Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a podkladů. Praha, 2. 6. 2008 Petr Žížala 3
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2008 Petr Žížala 4
Motto Je lepší selhat v originalitě než uspět v nápodobě. Herman Melville Poděkování Ing. Michalu Kabrhelovi, Ph.D. za vstřícnou konzultaci a odborné vedení bakalářské práce Ing. Františku Kulhánkovi, CSc. za několik upřímných dobrých rad Ing. arch. Petru Žížalovi za konzultaci architektonického zpracování navrhovaného objektu Ivaně Svatošové za neutuchající trpělivost a psychickou i fyzickou podporu 5
Obsah Motto... 5 Poděkování... 5 Obsah... 6 Anotace... 7 Abstract (EN)... 7 I. teoretická část aspekty řešení nízkoenergetického domu... 8 Úvodem... 8 Použité zkratky a odkazový systém... 8 Zkratky... 8 Odkazový systém... 9 Pojmy... 9 Historie... 10 Možnosti úspory... 12 Úspory elektřiny v domácnosti... 12 Konkrétní možnosti úspory... 15 Dotace... 16 Aspekty správného architektonického návrhu... 18 Pozemek a umístění budovy... 18 Optimální velikost a tvar budovy... 18 Dispozice... 19 Environmentální kvalita budovy... 19 Stavební konstrukce... 20 Tepelná stabilita v letním období... 20 Součinitel prostupu tepla... 21 Technická zařízení budov... 22 Vytápění... 22 Větrání... 29 Doplňkové systémy... 32 Aktualita... 33 II. praktická část - návrhy... 35 Architektonické řešení... 35 Stavební konstrukce... 36 Střecha... 36 Stěna... 36 Podlaha... 37 Možnosti řešení detailů... 38 Výpočet tepelné ztráty objektu... 39 Varianty řešení energetického systému... 43 VARIANTA 1... 44 VARIANTA 2... 46 VARIANTA 3... 48 Dimenzování teplovzdušného systému... 50 Dimenzování přívodních vyústek... 51 Ohřev teplé užitkové vody... 53 Dimenzování zásobníku tepla (IZT)... 53 Posouzení možnosti využití srážkové vody... 53 Studie oslunění... 54 Závěr osobní pohled autora... 57 Prameny a literatura... 58 Příloha {1}... 59 Zjednodušená architektonická studie rodinného domu... 59 Příloha {2}... 63 Výpočty Teplo 2008, Ztráty 2008... 63 6
Anotace Tato bakalářská práce se zabývá problematikou nízkoenergetických a pasivních domů a je dělena do dvou částí. V první, teoretické části práce jsou podrobně popsány aspekty řešení těchto staveb. Část je orientována na obecné seznámení s touto perspektivní oblastí architektury a stavitelství. Důraz je kladen na konkrétní možnosti energetických úspor a zodpovědného využívání energií. Jsou zde popsány možnosti řešení z hlediska architektonického a naznačeny stavebně-konstrukční možnosti. Podrobně jsou popsány také možnosti technických zařízení budov (především vytápění a větrání), včetně jejich výhod a nevýhod. V druhé, praktické části je popsána autorem navržená architektonická studie rodinného domu. Následuje výpočet tepelných ztrát objektu a návrh třech variant energetického systému. Klíčová slova nízkoenergetický dům, energetická úspora, vytápění, větrání, rekuperace Abstract (EN) This BA Thesis deals with low-energy house problems and it is divided into two parts. The first, theoretical part describes in detail aspects of designing this kind of buildings. It focuses on general identification of this forward branch of civil engineering and architecture. It stresses particular possibilities of energy savings and responsible usage of energy resources. The work also describes architectural and constructional aspects of the building. Last section of the first part is dedicated to a detailed description of microenvironmental and building services equipment (with the focus on heating and ventilation), including its advantages and disadvantages. The second part contains the architectural study of a family house; its heat loses evaluation and three concepts of a suitable energy system. Key words low energy income house, energy savings, heating, ventilation, heat recovery 7
I. teoretická část aspekty řešení nízkoenergetického domu Úvodem Cílem práce by mělo být nejen navrhnout a zhodnotit efektní, efektivní, správné a ekonomické řešení nízkoenergetického domu, ale také pojednat o možnostech aktivního přístupu obyvatel k úsporám elektrické a tepelné energie a o ekologickém přístupu k životu vůbec. Nechápat pojem nízkoenergetický dům jen jako důmyslně navrženou a propočtenou stavbu, ale jako skutečný domov skutečných uživatel, jejichž inteligence a uvážlivost je hlavní centrální jednotkou domu. Dům nesmí zatěžovat životní prostředí nebo jinak obtěžovat okolí. S tím úzce souvisí jeho architektonické provedení. Poukázat na to, že energii nespotřebovává dům, nýbrž jeho obyvatelé a zdůraznit, že úspora energií není jen nutností chudých, ale i ctností bohatých. Použité zkratky a odkazový systém Zkratky PD NED EPD TČ RD BD CZT IZT SFŽP ČEZ ČR ČSN WC CEPHEUS pasivní dům nízkoenergetický dům energeticky pasivní dům tepelné čerpadlo rodinný dům bytový dům centrální zásobování teplem integrovaný zásobník tepla státní fond životního prostředí společnost České energetické závody a.s. Česká republika Česká státní norma water-closet (= splachovací záchod) výzkumný projekt EU (Cost Efficient Passive Houses as EUropean Standards) 8
Odkazový systém V práci je použit jednoduchý systém odkazů. Odkaz uvedený v textu v hranaté závorce, např.: [X] odkazuje vždy k příslušnému pramenu nebo literatuře. Seznam pramenů a literatury je uveden na konci práce. Bezprostředně za seznamem pramenů a literatury a Závěrem následuje část Přílohy, do níž je v textu odkazováno pomocí složených závorek {X}. Pojmy Nejznámější a nejuznávanější stupnice dělení budov s nízkou energetickou náročností je určena jejich měrnou potřebou tepla na vytápění. Norma ČSN 730540:2 definuje nízkoenergetické domy jako objekty s měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 50 kwh/(m 2 a), pokud využívají velmi účinnou otopnou soustavu. Tento limit je nezávislý na faktoru tvaru budovy (geometrické charakteristice) - veličině, kterou snadno stanovíme jako poměr plochy vnější obálky vytápěného prostoru a jeho objemu (A/V). Za pasivní domy lze považovat stavby s roční potřebou tepla na vytápění menší než 15 kwh/(m 2 a). Takový dům ale ještě musí splnit požadavek na celkovou neprůvzdušnost budovy, která by měla dosahovat hodnot n 50 = 0,6 h -1. Tato hodnota je definována takto: n 50 = V 50 / V kde V 50 je objemový tok vzduchu při tlakovém rozdílu 50 Pa [m 3 /s] V je objem vnitřního vzduchu budovy [m 3 ] Hodnotu n 50 zjišťujeme tzv. Blower door testem, při němž osazením výkonného ventilátoru do některého z otvorů (nejčastěji vstupních dveří) a důkladným utěsněním dosáhneme konstantního tlakového rozdílu a změříme tok vzduchu, procházejícího ventilátorem. Lze předpokládat, že stejné množství vzduchu, jaké do budovy dodáváme, odchází i netěsnostmi ven. Tak je stanovena hodnota V 50. 9
Dalším pojmem je tzv. nulový dům, tedy budova, jejíž potřeba tepla je blízká nule (menší než 5 kwh/(m 2 a)). Lze jí ale dosáhnout jen velmi obtížně a za vhodných podmínek, proto se s tímto typem domu setkáváme jen velmi zřídka. Lze také navrhnout domy nazývané Energie-plus nebo domy s energetickým přebytkem. Takové budovy mají většinou velkoplošnou integraci fotovoltaických systémů pro výrobu energie. Dům tedy dodává elektřinu do rozvodné sítě. Jedním z cílů této práce by měl být návrh variant řešení energeticky úsporného domu. Vzhledem výše uvedenému přehledu a jak napovídá téma a název práce se zaměříme na varianty nízkoenergetického domu (dále NED), přičemž se vynasnažíme se konkrétním řešením přiblížit hodnotám domu pasivního. Jednou z důležitých součástí práce je tedy i výpočet tepelných ztrát podle přiložené zjednodušené architektonické studie a nástin správného řešení detailů, protože jejich bezchybné provedení je jedním z nejdůležitějších předpokladů úspěchu při návrhu NED. Historie Energetické problémy, ač se to může zdát neobvyklé, nejsou problémem jen několika posledních desetiletí. Již v 5. století př. Kr. v Řecku došlo k energetické krizi, jíž předcházelo vykácení tamějších lesů na otop, vaření a výrobu keramiky. Antičtí Řekové tehdy museli začít dřevo dovážet, což bylo velmi nákladné. Z té doby pochází první zmínky o slunečních domech. Sokratův žák Xenofon popsal tzv. Sokratův dům, který je navržen podle polohy slunce během dne a slunci se trychtýřovitě rozevírá. Tento dům měl předsazenou střechu, klíčový atribut úsporných domů, který zabraňuje letnímu přehřívání. Ostatně, základní prvek typologie architektury starého Řecka megaron, je rovněž perfektně přizpůsoben nízkoenergetickým standardům: sloupová představba s typickým trojúhelníkovým štítem tympanonem stíní letnímu slunci. Hloubka sloupové haly byla navržena tak, aby v létě zastiňovala okna v jižním průčelí a naopak v zimě umožňovala pasivní využití slunečního záření. 10
Princip Sokratova domu [6]: Tento moderní trend převzali také Římané. Vysoká životní úroveň za vrcholného rozkvětu římské kultury vyžadovala kvalitní bydlení a vytápění a také římské thermy spotřebovaly obrovské množství dřeva. Římané od Řeků převzali i jejich myšlenky týkající se úsporné výstavby: orientovali své domy (obytné prostory) na jih a jihozápad. Občan měl v zákoníku zakotveno právo na to, aby do jeho domu a na pozemek mohlo slunce. Římané rovněž začali používat okenní zasklení, jak bylo zjištěno z pompejských vykopávek. Podobně samozřejmě s nutnou změnou v závislosti na podstatně horších klimatických podmínkách se lidé v minulosti uměli energeticky odpovědně chovat i u nás. Celodřevěné chalupy neměly téměř žádnou tepelně-akumulační schopnost, tuto ale částečně nahrazovala vnitřní omítka z nepálené hlíny. V zimním období se na půdě skladovala sláma, která fungovala jako účinná tepelná izolace. Samozřejmostí bylo umístění chléva v sousedství obytných prostor, které tak byly přitápěny živočišným teplem. Dalším příkladem mohou být sedlové střechy alpských chalup s malým sklonem, na nichž se v zimě dlouho držela silná vrstva sněhu a fungovala jako další tepelná izolace. Veškeré materiály byly stoprocentně přírodní a tudíž environmentálně a zdravotně nezávadné. Všechna tato opatření ale nebyla podložena stovkami stran technických norem ani složitou softwarovou simulací, nýbrž empiricky mnohaletou zkušeností generací. Je zřejmé, že s postupem času a se stoupající životní úrovní jsou tato řešení anachronismem, ale zároveň nám mohou ukázat, že plnohodnotné inspirace pro dnešní stavění je možné hledat i v daleké minulosti. V USA bylo zkoumáno využívání solární energie již od roku 1882 (vynález solárního kolektoru - Edward Morse). V souvislosti s energetickou krizí v 70. letech se mluví o prvním 11
boomu nízkoenergetických domů. Byl ale zatím opomíjen problém neprůvzdušnosti, tepelných mostů a tepelných ztrát vůbec. V Evropě a především v severských státech byl kladen důraz na patřičné tepelné izolace obvodových konstrukcí. V roce 1975 vstoupila v platnost ve Švédsku stavební norma SBN 75, která je označována jako základ dnešního nízkoenergetického stavění. Požadované hodnoty součinitelů prostupu tepla byly pro stěnu 0,30 W/(m 2 K), střechu 0,20 W/(m 2 K), podlahu 0,30 W/(m 2 K) a okna 2,0 W/(m 2 K). Možnosti úspory Úspory elektřiny v domácnosti Trendem ve výrobě domácích elektrospotřebičů je jejich úspornost, energetická náročnost všech jednotlivých spotřebičů neustále klesá. Přesto však spotřeba elektřiny v domácnostech roste, neboť spotřebičů v domácnostech přibývá. Zatímco před 60 lety bylo běžné osvětlovat místnost jednou 40W žárovkou, v dnešní době není výjimkou osvětlení stejné místnosti s celkovým světelným výkonem až desetkrát vyšším. Přibývají a zvětšují se mrazničky, chladničky, nejrůznější kuchyňští pomocníci. Standardem je více než jeden televizor v jedné domácnosti a nejrůznější sestavy přijímačů a přehrávačů. Elektřina často nepříliš ekonomicky nahrazuje teplo z jiných zdrojů. Například myčka nádobí ohřívá elektřinou vodu, která by měla být ideálně ohřáta teplem z domácího kotle či teplárny. Struktura spotřeby elektřiny v domácnostech je velmi individuální a její spotřebu může významně ovlivnit právě inteligentní a uvědomělé chování spotřebitelů uživatelů domácnosti. Strukturu spotřeby průměrné domácnosti ilustruje následující graf. 25 20 15 10 5 0 Struktura spotřeby elektřiny průměrné domácnosti [%] Mytí nádobí Osvětlení Žehlení Elektronika Chlazení Vaření Praní Ostatní 12
Změna dodavatele elektřiny Ceny elektřiny se mohou lišit u různých dodavatelů, v různých tarifech a záleží také na denní době. Noční proud mají někteří spotřebitelé k dispozici až 22 hodin denně. V účtech za elektřinu se nově objevují položky jako silová elektřina (elektrický proud, který spotřebuje vlastní spotřebič), platba za distribuci (platba za dodání elektřiny a místo spotřeby) a další neviditelné služby. Zajímavou položkou jsou poplatky na podporu výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů tepla. Zákazníci PRE mají možnost zakoupit si elektřinu vyrobenou výhradně z obnovitelných zdrojů (tarif PREKO), kde je cena o 0,10 Kč/kWh vyšší. Dodavatele silové elektřiny si může zákazník zvolit nově od roku 2006. Licencí na obchod s elektřinou disponuje na 300 subjektů, z toho asi 5 subjektů projevuje zájem o malé spotřebitele (domácnosti). Náklady na silovou elektřinu tvoří u maloodběratelů cca 30 50 % z ceny. Správnou volbou dodavatele a tarifu lze snížit náklady na elektřinu až o 9 %. Energetické štítky Jednou z možností, jak se orientovat při výběru výrobku, je tzv. energetický štítek, který definuje energetickou náročnost výrobku, danou jeho konstrukcí. V ČR se povinně energetickým štítkem označují: automatické pračky bubnové sušičky prádla pračky kombinované se sušičkou chladničky, mrazničky a jejich kombinace myčky nádobí elektrické trouby elektrické ohřívače vody zdroje světla předřadníky k zářivkám klimatizační jednotky Na štítku je vždy vyčíslena také spotřeba energie za určité období (např. 1 rok u chladniček a mrazniček) nebo jeden funkční cyklus (pračka, myčka). Je ale nutné počítat s tím, že jde o hodnotu zjištěnou laboratorně, která se od skutečné může lišit. Dalšími údaji, které můžeme najít na energetickém štítku, je například spotřeba vody, kvalita praní (resp. mytí), účinnost odstřeďování, kvalita izolace, produkce hluku. 13
Celková energetická úspornost je na štítku vyznačena na stupnici A G. Energeticky nejefektivnější výrobky jsou označeny A+ a A++. Měření spotřeby Spotřebu domácích přístrojů lze změřit pomocí jednoduchého wattmetru (na obrázku). Pomocí tohoto nikoli drahého přístroje lze snadno změřit spotřebu, je však třeba brát v potaz fakt, že u některých spotřebičů (chladnička) je energie spotřebovávána jen občas, a je tedy nutné měřit spotřebu celý den. Stand-by režim Anglickým slůvkem stand-by označujeme stav, ve kterém je kupříkladu televizor připraven být zapnut dálkovým ovladačem. Obecně jde o černou domácí elektroniku videa, televizory, hi-fi věže, ale také mnohé lampičky nebo i nabíječky mobilních telefonů. Všechny tyto výrobky jsou vybaveny transformátorem, který je trvale připojen k síti. Tento problém tedy snadno vyřeší buď úplné vypínání spotřebičů nebo pořízení prodlužovačky s vypínačem zásuvek. Informaci o stand-by spotřebě lze najít na výše zmíněném energetickém štítku nebo v jeho dokumentaci. Pomocí následující tabulky si lze udělat představu o poměru spotřeby energie ve stand-by režimu a příkonu v provozu: Spotřebič Příkon v provozu Stand-by příkon LCD televize 100W 2W CRT televize 130W 5W Plazmová televize 250W 4W Hi-Fi věž 20W 8W DVD rekordér 20W 1W CRT monitor 120W 12W LCD monitor 30W 1W PC (bez monitoru) 150W 10W Notebook 30W 1W Kopírka 1000W 20W Tiskárna laser 500W 15W Tiskárna inkoust 20W 1W [3] 14
Konkrétní možnosti úspory Kuchyně - chlazení nekupovat zbytečně velkou chladničku, každých 10 l navíc zvyšuje roční spotřebu o 15 20 kwh neumisťovat chladničku vedle topení, sporáku, k jižnímu oknu nenastavovat zbytečně nízkou teplotu čistit zadní teplosměnnou mřížku chladničky odstraňovat námrazu, která funguje jako izolace, může zvýšit spotřebu až o 50% zmrazené potraviny nechávat rozmrznout v chladničce Kuchyně vaření dno hrnce by mělo odpovídat velikosti plotýnky neohřívat více vody, než skutečně potřebujeme vařit s pokličkou může ušetřit až polovinu energie vařit v tlakovém hrnci je rychlejší a ušetří proti vaření v běžném hrnci až polovinu energie rychlovarná konvice i mikrovlnná trouba jsou cca o 20 % efektivnější než konvenční způsoby ohřevu sklokeramické desky jsou o 30 % účinnější než klasické elektrické sporáky plynový sporák je provozně až o polovinu levnější než elektrický vypínat plotýnku s předstihem a využít zbytkové energie na dovaření Kuchyně - mytí mytí v myčce je cca o 50 % efektivnější než mytí pod tekoucí vodou mytí v myčce je energeticky srovnatelné s mytím v napuštěném dřezu vaření s pokličkou může ušetřit až polovinu energie vařit v tlakovém hrnci je rychlejší a ušetří proti vaření v běžném hrnci až polovinu energie používat mycí programy EKO s nižší teplotou vody málo špinavé nádobí lze umýt i bez prášku, nebo s minimálním množstvím 15
Koupelna - praní pouštět jen naplněnou pračku používat raději nižší teploty praní správně dávkovat prací prostředek dávkovat prací prostředek podle tvrdosti vody Cena energie pro ohřev vody [Kč/kWh] Elektřina (sazba D 02d) 3,79 Elektřina (sazba D 45d) 1,74 Teplá voda z centrálního zásobníku 1,46 Teplá voda z lokální kotelny 1,85 Plynový kondenzační kotel 1,04 Porovnání cen tepla pro pračku (2007, [3]) Dotace V České republice lze na instalaci opatření pro úsporu energie a využívání obnovitelných zdrojů získat dotace z několika institucí, tyto ale zpravidla nelze kombinovat. Protože dotační podmínky se různí a mění v čase, je třeba sledovat aktuální informace zveřejňované poskytovatelem dotace. Na žádnou z dotací u nás neexistují právní nároky. Hlavní město Praha Program dotací hl.m. Prahy na přeměnu topných systémů a využití obnovitelných zdrojů energie na území hl. města Prahy poskytuje dotace na změnu nebo zavedení nového zdroje tepla nebo elektřiny v bytech a rodinných a bytových domech na náhradu vytápění neekologickými palivy (uhlí, koks..) vytápěním zemním plynem, elektřinou, obnovitelnými zdroji nebo CZT na náhradu vytápění neobnovitelnými zdroji (zemní plyn, elektřina, uhlí..) zařízením využívajícím obnovitelné zdroje (tepelné čerpadlo, biomasa, solární kolektory..) na instalaci nového zařízení využívajícího obnovitelné zdroje energie, včetně solárních systémů (ohřev vody a výroba elektřiny) v nových bytech a domech) O příspěvek mohou žádat fyzické nebo právnické osoby s trvalým sídlem v ČR, které na území Prahy vlastní nebo užívají byt či dům s trvale obývanými byty, které neslouží k podnikání. 16
Přehled dotací hl.m. Prahy v roce 2007 [3]: typ systému plyn, elektřina, CZT tepelné čerpadlo vytápění biomasou solární kolektor, fotovoltaický systém mikrokogenerační jednotka maximální výše dotace 2000 Kč/kW, max. 30000 Kč/byt max. 80000 Kč, max. 50% nákladů max. 40000 Kč, max. 50% nákladů 4000 Kč/m 2, max. 80000 Kč na zařízení, max. 50% nákladů max. 80000 Kč, max. 50% nákladů Lhůta pro podání žádosti je 21 kalendářních dní od uvedení do provozu. Příjem žádostí ale probíhá pouze určitou část roku (cca červen listopad). Došlo-li k zprovoznění v mezidobí, je lhůta podání žádosti do 30.6. téhož, respektive následujícího roku. Pro aktuální informace je třeba sledovat informace o dotacích a grantech na www.praha-mesto.cz. Státní fond životního prostředí (SFŽP) SFŽP disponuje Státním programem na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie, přičemž je rozlišováno, zda je žadatelem fyzická osoba nebo nepodnikatelská právnická osoba (např. společenství vlastníků). O dotaci nemohou žádat podnikatelé. Právnická osoba může kromě dotace žádat ještě o půjčku, fyzická osoba může dostat pouze dotaci. Lze žádat o dotaci na solární systém pro ohřev vody či přitápění, na tepelné čerpadlo, kotel na biomasu (ne kamna!) a na fotovoltaický systém. Právnické osoby navíc ještě i na rekonstrukci zdroje tepla, pokud se týká využití obnovitelného zdroje. Dotace SFŽP 2007 [3]: dotace pro fyzické osoby dotace kotle na biomasu 50% max. 50000 Kč solární systémy na teplou vodu 50% max. 50000 Kč solární systémy na přitápění a teplou 50% max. 60000 Kč vodu fotovoltaické systémy 50% max. 200000 Kč tepelná čerpadla 50% max. 60000 Kč Fyzické osoby žádají o dotaci zpětně, nejdéle 12 měsíců od uvedení do provozu. SFŽP rovněž přijímá žádosti jen určitou část roku. Přesné aktuální podmínky je třeba sledovat například na internetových stránkách SFŽP www.sfzp.cz. 17
Operační program životní prostředí umožňuje čerpat dotace na opatření, která povedou ke zlepšení kvality ovzduší a k udržitelnému využívání zdrojů energie. Žádá se v rámci výzvy k předkládání žádostí. Vlastníci bytových a rodinných domů a další subjekty mohou žádat např. o dotaci na pořízení nízkoemisního zdroje, rekonstrukci kotelny apod. Výše dotace může být až 85 % uznatelných nákladů. Je zde možné žádat o dotaci na výstavbu domu nízkoenergetického či pasivního standardu, nebo na rekonstrukci do tohoto standardu. Zde mohou čerpat družstva a společenství vlastníků, a také fyzické osoby. Podrobné aktuální informace lze dohledat na www.opzp.cz. Aspekty správného architektonického návrhu Pozemek a umístění budovy Bylo by krátkozraké předpokládat, že výběr pozemku bude primárně podřízen ekologickému uvažování. Přesto existují pravidla, která mohou kupříkladu usnadnit možné rozhodování. Lépe je vždy volit pozemek, na němž je možné dům umístit tak, aby směřoval dominantně prosklenou fasádou na osluněnou stranu (od jihovýchodu přes jih na jihozápad), je třeba ale rovněž mít na paměti, že toto hledisko neplatí u škol a administrativních budov a že je třeba brát v úvahu i zastínění okolní zástavbou, terénem či vzrostnou zelení. Dalšími faktory, které s architekturou souvisí nepřímo, je také například dostupnost pozemku městskou hromadnou dopravou, dosažitelnost centra města na kole, pěšky apod. Tyto širší vztahy, jimiž se zaobírá specializovaný obor hodnocení kvality budov jsou také často podceňovanou součástí vztahu budovy a prostředí. Optimální velikost a tvar budovy Jedním z poslání projektanta by měla vždy být konstruktivní diskuse s investorem. Racionální přístup a inteligence budoucích majitelů je základním předpokladem úspěšného návrhu. Je třeba se vyvarovat domů tvarově komplikovaných, půdorysně příliš rozsáhlých (viz výše: faktor tvaru budovy - A/V). Vhodné nejsou komplikované detaily, které zejména při nekvalitním návrhu nebo nedodržení technologické kázně mohou výrazně negativně ovlivnit požadovaný výsledek. Často propagované použití zimních zahrad, dvojitých prosklených fasád apod. lze ve skutečnosti doporučit až při pečlivém zvážení jejich přínosu v průběhu celého roku. 18
Nízkoenergetické domy jsou často řešeny jako nepodsklepené. Stavba se takto zlevní a odpadne velké množství technologických komplikací. Dispozice U nízkoenergetických domů nadále platí základní architektonická pravidla dispozičního návrhu: obytné prostory oslunit z jihu až jihozápadu ložnice od východu až jihovýchodu pracovny a kanceláře umisťovat na neosluněnou stranu servisní místnosti (WC, koupelny, šatny, sklady, garáž) umístit na neosluněnou stranu vstup do domu je nejvhodnější ze severu Environmentální kvalita budovy Jedním z moderních hledisek hodnocení stavebních konstrukcí je také hledisko tzv. environmentální kvality budovy a konstrukcí. V tomto smyslu lze zkoumat nejen předpokládaný životní cyklus budovy, ale i jeho podrobné dílčí fáze, jako je výroba stavebních hmot a výrobků a samotnou výstavbu, ale také její provoz. S tímto úzce souvisí klíčový faktor inteligentního uživatele, jenž byl naznačen v úvodu. Zajímavé je sledovat také poměr mezi množstvím energie svázané s výrobou stavebních hmot včetně realizace budovy a množstvím energie na jeho provoz. Zatímco dříve nebyl výjimkou poměr 1:7 1:10, dnes je u nízkoenergetických budov typický poměr 1:3 a méně. Tento trend započítávání tzv. svázaných hodnot se zaobírá i vyčíslením množství škodlivin produkovaných budovou během jejího životního cyklu a vyjadřuje se poté potenciálem zatížení životního prostředí. Ve třech úrovních (globální, regionální a lokální) se tak hodnotí faktory jako potenciál skleníkového efektu, poškozování ozónové vrstvy, okyselování prostředí, eutrofizace (= zvyšování výskytu řas v rybnících apod., dodáváním látek jako např. fosfor a dusík), produkce smogu, ale také extrémně zajímavá, ale obtížně hodnotitelná hlediska estetické kvality, funkčních vlastností a sociálních souvislostí. Na tomto místě leží odpovědnost na odborníkovi architektovi, jeho plodné diskusi s investorem a aktuální orientaci v dané problematice. 19
Stavební konstrukce Mezi hlavní požadavky související s energetickými vlastnostmi budovy, patří: zajištění vyšší než minimální teploty na vnitřním povrchu konstrukcí vyloučení nebo omezení kondenzace vodních par v konstrukcích vyloučení průniku vzduchu skrz konstrukce a funkčními spárami omezení energetického vlivu tepelných mostů omezení prostupu tepla konstrukcemi vyjádřeno součinitelem prostupu tepla Pojednat vyčerpávajícím způsobem o možnostech provedení stavebních konstrukcí je kapitolou samo o sobě. Při realizacích NED jsou používány všechny běžně dostupné systémy výstavby. Většina investorů, plánujících výstavbu domu v pasivním nebo nízkoenergetickém standardu řeší jako první otázku, zda je vhodnější realizovat dřevostavbu nebo masivní stavbu, využívající těžkých konstrukcí. Na tuto otázku nelze dát uspokojivou odpověď. Při výběru vždy hrají roli preference investora, zkušenosti projektanta, místní podmínky a mnoho dalších faktorů. V současné době ve výstavbě nízkoenergetických objektů převažují dřevostavby. Ani ony ale nejsou stoprocentní zárukou nejlepší volby. S provedením stavebních konstrukcí úzce souvisí mimo jiné problém tepelné stability domu. Klíčová je zde tepelná stabilita v letním období. Tepelná stabilita v letním období Metodikou tepelné stability v letním období se provádí hodnocení reakce objektu na zatížení tepelnými zisky od slunečního záření. Požadavky na tepelnou stabilitu objektu jsou uvedeny v normě ČSN 730540 2:2007 a jejich splnění je závazné dle vyhlášky 137/1998 Sb. o obecných technických požadavcích na výstavbu. Míra ohřívání vnitřního vzduchu má vliv na vnitřní pohodu obyvatel. Ovlivňují ji výplně otvorů, jejich velikost a orientace ke světovým stranám. Důležitým faktorem ovlivňujícím tepelnou stabilitu je schopnost konstrukce akumulovat teplo. Obvodové konstrukce dřevostaveb mají malou schopnost akumulace a jsou k přehřívání náchylnější. Tepelnou stabilitu lze podle zmíněné ČSN vypočítat dvěma způsoby. Postup výpočtu ale nebude předmětem dalšího zkoumání, zdůrazněme jen, že s jedná o zjištění největšího denního vzestupu teploty vzduchu v místnosti v letním období, respektive jeho nejvyšší teploty. 20
Výpočty ukazují, že konstrukce s vyšší plošnou hmotností pozitivně ovlivňují tepelnou stabilitu v letním období. Je vyloučeno problematiku tepelné stability u dřevostaveb podcenit. Nejúčinnějším řešením je osazení stínicích prvků na vnější straně oken a nebo použití těžší obvodové konstrukce. Samotné navržení těžké podlahy ve dřevostavbách je nedostačující. Tyto fakta nechť jsou argumentem pro navržení těžké obvodové konstrukce v teoretické části práce. Součinitel prostupu tepla V následující tabulce [2] jsou uvedeny doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla pro nízkoenergetické a pasivní domy dle ČSN 730540:2 Konstrukce Součinitel prostupu tepla U [W/(m 2 K)] Stěna 0,12-0,15 Střecha 0,1 0,2 Podlaha na terénu < 0,15 Okna 0,8 Konstrukce, které jsou použity v nízkoenergetických domech by měly v každém případě splňovat požadavky na součinitele prostupu tepla uvedené v tabulce. Zároveň je třeba ověřit možnou kondenzaci vodní páry v rizikových částech konstrukce. Pokud ke kondenzaci vodní páry během modelového roku dochází, je třeba ověřit že množství zkondenzované vodní páry nepřesahuje maximální dovolenou hodnotu uvedenou v normě. 21
Technická zařízení budov Vytápění Volba energetického média Mezi nejčastější používaná média patří zemní plyn, dřevo (ve formě kusového dřeva nebo stále oblíbenějších pelet) a elektrická energie, popřípadě ještě zkapalněný plyn nebo topný olej. Možnost využití solárního záření je přinejmenším diskutabilní, vzhledem k relativně krátkému otopnému období u nízkoenergetických domů, během něhož je nabídka slunečního záření velmi malá. Pro bezchybnou volbu energetického média by bylo nutné znát prognózu vývoje cen energií. Takové údaje ale nejsou k dispozici a proto je volba vhodného energetického zdroje vždy jakýmsi krokem do prázdna. Roli při výběru tu mohou hrát tedy i případné kontakty budoucího vlastníka domu, osobní zkušenosti, případně braní ohledu na tzv. šedou energii. Šedá energie je termín používaný ve nejen stavebnictví a znamená energii, která je potřebná k výrobě stavebních hmot a k výstavbě domu. Její přesné vyčíslení je velmi obtížné, protože závisí také na spotřebě energie při výrobních procesech. Úřední předpověď cen elektrické energie (2005) [2] předpokládala nárůst cen o 30% během čtyř let. Tím by se ČR přibližně vyrovnala západoevropským zemím. Že tento předpoklad není mylný, dokazuje novinový článek v kapitole Aktualita na konci teoretické části práce. S velkou jistotou lze předpokládat, že cena energie již nikdy nižší nebude. Volba zdroje tepla Volba zdroje tepla je důležitým krokem při úspěšném návrhu. Základním vstupním údajem pro návrh energetického zdroje je stanovená tepelná ztráta budovy. Tu lze vypočíst například jednoduchou obálkovou metodou, nebo některou z pokročilých softwarových aplikací [5]. Jedním dalších z kroků je výběr správného energetického zdroje - kotle správné velikosti, výkonu a účinnosti. U kotlů na dřevo budou mít přednost zplyňovací kotle s vysokou efektivitou spalování. Plynové kotle je třeba volit tzv. kondenzační, které jsou schopny využívat i teplo z odváděných spalin. U kotlů na pelety je třeba sledovat také účinnost spalování a emisní 22
vlastnosti, ale i zásobování palivem a jeho skladování. (viz dále: kapitola Kotle na pelety. Pelety). V našem případě návrhu rodinného domu je třeba počítat s možností, že nebude snadné nalézt dostatečně malý zdroj tepla (kotel), tak aby po většinu roku pracoval optimálně. Tento problém řeší akumulační nádrže (= integrované zásobníky tepla, IZT), které navíc mohou akumulovat energii produkovanou různými zdroji, jako je kotel, solární systém či elektrické topné tyče. V tomto systému lze navíc efektivně s výhodou připravovat teplou vodu. Přehled o konečných cenách tepla z různých paliv může poskytnout následující tabulka: 2,5 2 1,5 1 0,5 Štěpka Tepelné čerpadlo Hnědé uhlí Dřevěné pelety Dálkové teplo Palivové dřevo Dřevěné brikety Zemní plyn Černé uhlí Koks Elektřina akumulace Propan Elektřina přímotop Lehké topné oleje 0 cena za kwh [Kč] Kotle na polenové dřevo Nešvarem našich zemí je časté spalování dřeva v kotlích určených pro uhlí. Takové spalování je však málo efektivní a je při něm produkováno velké množství emisí. Kotle na kusové dřevo mají vysokou efektivitu spalování spaluje se v nich dřevoplyn, který se z dřeva uvolní v násypce kotle. Palivem je polenové dříví, které lze míchat i s pilinami a jiným dřevním odpadem. Palivo do těchto kotlů musí být suché (vlhkost do 20 %). Na trhu jsou z konstrukčních důvodů kotle od výkonu 18 kw. Zde se vracíme k problému zmíněnému v úvodu, kdy je tato hodnota pro kvalitně provedený dům příliš vysoká. Aby kotel nemusel 23
pracovat neefektivně, je zde vhodné doplnit systém vytápění výše zmíněnou akumulační nádrží. Kotel pak pracuje na plný výkon jen jistou dobu a teplo se uloží pro pozdější potřebu v akumulační nádrži. Po nabití se kotel přepne do tzv. teplé rezervy, kdy palivo zvolna prohořívá a kotel má minimální výkon, ale i minimální spotřebu paliva. Takto tedy stačí přikládat dřevo do kotle jen občas, odpadá tedy v moderním domě nepřípustné ranní roztápění či přikládání na noc. Regulace vytápění si podle potřeby odebírá uložené teplo do otopných ploch. Kotle tohoto typu vynikají nejvyšší účinností spalování při nejnižších emisích. Akumulační nádrž lze doplnit například o dohřev solárním systémem nebo jiným vhodným zdrojem tepla. Nevýhodou systému je nárok na prostor (kotel + akumulační nádrž) a cena akumulační nádrže. Kotle na pelety. Pelety. Pelety jsou malé válcovité bločky vytvořené stlačením čistých pilin a dřevního odpadu bez jakýchkoli chemických pojiv. Vyznačují se vysokou výhřevností cca 4,9 kwh/kg. Podíl popela pelet je méně než 0,5 % a tento může být s výhodou použit jako zahradní hnojivo. Topení peletami je jednoduché a nekomplikované a jejich používání jako paliva se k nám postupně rozšiřuje z Německa a Rakouska. Tamější produkce pelet je téměř dvakrát větší než jejich spotřeba. Jejich výhoda spočívá také v nezávislosti na médiích na bázi ropy a zemního plynu, které se do střední Evropy musí dovážet z nejistých východních destinací. U nás je zatím cena kotle na pelety více než dvojnásobná ve srovnání s kotli na kusové dřevo, cenu zvyšuje také potřeba skladu pelet a případného (nejčastěji šnekového nebo nasávacího) dopravníku do kotle. Lze ale předpokládat, že tento rozdíl se bude rychle snižovat. Pelety mohou být dodány na místo spotřeby jen jednou ročně, 2x 3x za sezónu je nutné vyprázdnit nádobu na popel. Jejich další výhodou je CO 2 - neutrální spalování. 24
Technická data [1] Průměr 6 mm Délka 10 30 mm Výhřevnost 4,9 kwh/kg Obsah popela < 0,5 % Sypná hmotnost 650 kg/m 3 Krbové vložky, kamna, kombinovaný zdroj Interiérová kamna a krby mohou elegantně doplnit interiér domu a díky své jednoduchosti jsou nejspolehlivějším zdrojem tepla. Část jejich výkonu se odvádí do systému vytápění akumulační nádrže. Mohou tak fungovat jako zdroj tepla pro celý dům. Jistou nevýhodou je nutnost nošení dřeva a vynášení popela, a také nevyhnutelné zatížení obytného prostoru prachem z popela. Komplikované je také předávání tepla do vzduchu (sáláním) a do vody v nádrži. Obvykle jsou 2/3 tepla předány do místnosti a 1/3 do topení. Místnost s kamny se tak může snadno přehřát. Tepelná čerpadla Tepelná čerpadla využívají tepla okolního prostředí, které má však příliš nízkou teplotu na to, abychom ho mohli využít na vytápění přímo. Tepelné čerpadlo toto teplo převede na vyšší teplotní hladinu. Čerpadlo využívá tepla získaného z okolního prostředí k odpaření chladící kapaliny ve výparníku. Tato pára je poté stlačena kompresorem. Díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které je následně předáno topnému médiu. Tepelné čerpadlo samozřejmě potřebuje elektrickou energii pro pohon kompresoru, čerpadel a případně ventilátoru. Poměr mezi spotřebovanou elektrickou a dodanou tepelnou energií je vyjádřen topným faktorem tepelného čerpadla ε. ε = Q/E Q = teplo dodané pro vytápění [kwh] E = energie pro pohon TČ [kwh] Topný faktor se obvykle pohybuje v rozmezí od 2 do 5, tepelné čerpadlo tedy může dodat běžně 2x až 5x více tepla, než spotřebuje elektřiny. Je nutno v údajích výrobce sledovat, jak je topný faktor čerpadla popsán. Nejčastěji je udáván topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média. Někdy ale výrobce (prodejce) nezapočítává spotřebu oběhových čerpadel (ventilátorů). Okamžitý topný faktor v průběhu roku kolísá v závislosti 25
na vstupní a výstupní teplotě. Průměrným topným faktorem potom rozumíme poměr mezi celoroční spotřebou energie a celoroční výroby tepla. Princip tepelného čerpadla [ČEZ] Tepelné čerpadlo se skládá z části vnitřní a vnější. Vnitřní část nemá zvláštní nároky na prostor ani umístění a zajišťuje předávání tepla do topného systému. Venkovní část zajišťuje odebírání tepla ze zdroje země, vzduchu nebo vody. Rozlišujeme tepelná čerpadla vzduch/voda, vzduch/vzduch, voda/voda, země/voda, podle toho jakou látku ochlazují (před lomítkem) a jaké látce teplo předávají (za lomítkem). V následující pasáži je uveden přehled nejpoužívanějších typů čerpadel a jejich obvyklé klady a zápory. TČ vzduch/voda + lze použít prakticky ve všech případech, bez omezení místními podmínkami + nejsou vyžadovány žádné zásahy do okolního prostředí (především drahé vrty a výkopové práce) - vyšší pořizovací náklady - výkon TČ výrazně klesá s venkovní teplotou - může způsobovat problém s hlukem 26
TČ země/voda: Zemní plošný kolektor V hloubce cca 1 m a se stejnou roztečí je v zemině položena plastová trubka, kterou proudí nemrznoucí kapalina. Pro výkon 10kW je zapotřebí cca 250 300 m 2 plochy pozemku. Výhodnější jsou půdy bohaté na vodu, díky které je směna tepla účinnější. + levnější než hlubinné vrty - potřeba velkého pozemku - plocha s kolektorem je nezastavitelná - v zimních měsících kolektor může promrzat, čímž je jeho výkon snížen - nutnost drahých skrývek zeminy TČ země/voda: Hloubkové vrty TČ využívá tepla z hloubkových vrtů. Do nich je vložena plastová trubka s nemrznoucí kapalinou. Pro 10 kw je třeba cca 120 180 m vrtů, jednotlivé vrty mohou být až 150 m hluboké. Vrty musí být umístěny nejméně 10 m od sebe. + stabilní teplota zdroje tepla z vrtu spotřeba elektřiny není ovlivněna venkovní teplotou - vysoká cena vrtů - promrzání (viz Zemní plošný kolektor) TČ voda/voda: Voda ze studny Využití studniční vody vyžaduje zejména celoročně dostatečně vydatný zdroj, který je nutno ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou. Dále je důležité vhodné složení vody, které nebude způsobovat zanášení výměníku. Voda je čerpána ze studny většinou klasickým ponorným čerpadlem, v tepelném čerpadle je ochlazena a vrací se zpět do vsakovací studny. Kromě čerpací studny je tedy třeba zhotovit v dostatečné vzdálenosti ještě vsakovací studnu, ze které ochlazená voda nesmí prosakovat zpět do sací studny. Teplota vody ve studni musí být dostatečně vysoká, aby ji bylo možno ochlazovat bez nebezpečí zamrznutí (cca 6-7 C). + nižší pořizovací náklady ve srovnání s vrty. - požadavky na kvalitu, dostatečné množství vody a teplotu vody. 27
- venkovní část dále vyžaduje pravidelnou údržbu (čištění filtrů) a je náchylnější na poruchy např. sacího čerpadla) TČ voda/voda: Povrchová voda (rybník, řeka) Při využití vody z rybníka nebo řeky se většinou na dno pokládá kolektor vytvořený z plastových trubek, kterými proudí nemrznoucí teplonosná látka. V některých případech lze vodu přivádět přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou ji vypouštět zpět do řeky (obdobně jako při využití studniční vody). Problémem je ale znečištění vody a nutnost platit za odběr vody. + nižší pořizovací náklady ve srovnání s vrty. - omezení na lokality s dostatkem povrchové vody. Volba systému předávání tepla V nízkoenergetických domech lze díky kvalitnímu zateplení a špičkovým výplním otvorů opustit tradiční schéma umisťování otopných těles pod okny. Tento způsob výrazně snižuje riziko kondenzace na plochách okna, ostěních a nadpražích, a nadále zůstává velmi rozumnou volbou, ve velmi dobře izolovaných domech ale je ale umožněno kupříkladu ekonomičtější řešení s kratšími rozvody s vyústky u vnitřní stěny. V energeticky šetrných domech se ale samozřejmě mohou vyskytovat všechny ostatní klasické otopné plochy: konvektory, desková otopná tělesa, otopné žebříky atp. Kombinace vytápění a větrání Jednou z možností při návrhu domů je zcela opustit klasickou otopnou soustavu a větrací vzduch v době největších mrazu dohřívat. Při tomto způsobu zcela odpadají významné náklady na otopnou soustavu. To je ovšem proveditelné jen při špičkově provedeném a zatepleném objektu, kdy potřebné teplo dodají hlavně domácí spotřebiče, zdroje světla (a tepla) a obyvatelé domu. Další možností je varianta, již lze úspěšně používat právě u podstatné skupiny domů, které nedosahují parametrů domu pasivního. Část tepelných ztrát se tedy pokryje konvenčním způsobem otopnými tělesy, topnými žebříky, podlahovým vytápěním nebo oblíbeným krbem či krbovými kamny. Taková otopná tělesa jsou důležitá i 28
z hlediska psychologického, nemluvě o možnosti poruchy jednotky teplovzdušného vytápění či jakéhokoli jiného havarijního stavu. Možností je rovněž zavedení cirkulačního systému, v němž se část odváděného vzduchu smísí se vzduchem přiváděným v potřebném množství. Je zde ale třeba zajistit hygienické čištění vstupního smíšeného vzduchu ve filtrech a tyto pravidelné kontrolovat. V moderních vzduchovodech je prakticky vyloučen vývin nebo hromadění škodlivých látek a oproti vzduchu, který proudí kolem klasických otopných těles a víří tak prach v místnosti, je vzduch v cirkulačním systému zbaven škodlivých alergenů pylů a podobně. Větrání Požadavky na kvalitu vnitřního vzduchu V problematice požadavků na kvalitu vnitřního vzduchu panuje u nás zmatek a různé hodnoty lze najít i v zahraničních normách a předpisech. Požadavky na větrání dle ČSN 74 7110 - Bytová jádra jsou pro WC 25 m 3 /h, koupelnu 75 m 3 /h a kuchyň 100 m 3 /h. Norma ČSN 73 0540-2/2002 - Tepelná ochrana budov rozlišuje požadavky na intenzitu větrání podle toho, zda je místnost užívána či nikoli. V době, kdy místnost není užívána, doporučuje nejnižší intenzitu větrání v místnosti takovou, aby byla vyšší nebo rovna doporučené nejnižší intenzitě větrání v místnosti. Nestanoví-li zvláštní předpis a provozní podmínky odlišně, platí, že doporučená nejnižší intenzita větrání v místnosti, pro dobu, kdy není místnost užívána, je 0,1 h -1. V době, kdy místnost je užívána, se požaduje intenzita větrání v místnosti taková, aby byla minimálně rovna požadované intenzitě větrání a maximálně rovna 1,5 násobku této hodnoty. Požadovaná intenzita větrání v užívané místnosti je přepočtená z minimálních množství potřebného čerstvého vzduchu stanovených ve zvláštních předpisech. Pro obytné a obdobné budovy leží podle této normy požadovaná intenzita větrání, přepočtená z minimálních množství potřebného větracího vzduchu obvykle mezi hodnotami 0,3 až 0,6 h -1. Hygienické požadavky musí být splněny kdykoli během pobytu osob v budově. Mezi škodliviny patří zejména oxid uhličitý, vodní pára, odéry, jedovaté plyny a páry, které se uvolňují z předmětů v interiérech nebo se uvolňují při spalování, dále mikroorganizmy (bakterie, spory hub, roztoči, viry), radioaktivní látky (radon) a karcinogenní vláknité látky (azbest). 29
Porovnání s požadovanými normovými hodnotami v zahraničí [7] předpis Intenzita výměny vzduchu Množství větracího vzduchu DIN 4701 0,5 - VDI 2088 0,4 0,8 - NKB Publication > 0,5 30 m 3 /h ECE kompendium > 0,5 BSF 199838 0,4 1,26 m 3 /h m 2 ČR ČSN 06 0210 0,5 - ASHRAE USA - 27 m 3 /os SIN 60 0210 > 0,5 - Způsoby větrání Přirozené větrání Přirozeným větráním rozumíme stav, při němž je výměna vzduchu řízena uživatelem tak, že podle svých potřeb otevírá a zavírá okna. Fyzikální podmínkou této situace je tlakový rozdíl mezi vnějším prostředím a vnitřním prostorem domu. Je tedy ovlivněna klimatickou situací a samozřejmě také v různých částech domu ve stejném okamžiku. Častá je nechtěná situace, kdy je ve dvou- nebo vícepodlažním domě čerstvý vzduch nasáván spárami a netěsnostmi, v důsledku vztlaku stoupá vzhůru prostorem schodiště a jako již kontaminovaný proniká skrz dveře do pokojů. Zajímavá je také situace u oken, jejichž mikroventilační schopnost v poloze kliky odtěsněno (tzv. čtvrtá poloha kliky) je pro větrání za pobytu osob nedostačující a dále nedostatečně chrání proti hluku z okolí. Proto bývají nyní moderní okna doplněna větracími prvky v rámech. Tyto ventilační otvory musí být snadno otevíratelné a v uzavřené poloze těsné. Nucené větrání Nucené větrání je hojně využíváno při návrzích nízkoenergetických domů. Nejedná se však o klimatizaci (= chlazení a vlhkostní úprava vzduchu), která u obytných budov není často vhodná vzhledem ke své energetické náročnosti a její použití je komplikované i z hlediska hygienického. Větrací vzduch je v systémech řízeného nuceného větrání přesně dávkován; uživatel tak nemá potřebu větrat otevřenými okny a ztrácet tak teplo. Tento systém větrání se s výhodou kombinuje s rekuperačním zařízením, v němž je zpětně získáváno teplo 30
z odpadního vzduchu. Systém je často v projektech nízkoenergetických domů kombinován také s dalšími prvky, jako zemní výměníky apod. Větrání s nuceným odvodem vzduchu Tento typ je navrhován jako systém větracích prvků v obvodovém plášti, doplněných o ventilátor, sloužící k odvádění odpadního vzduchu z interiéru. Tlakový rozdíl, nutný k výměně vzduchu (viz výše) je zajištěn uměle. Tímto způsobem je ale do interiéru přiváděn vzduch o teplotě vnějšího vzduchu a přesný, dobře fungující návrh je komplikovaný, navíc lze nejde použít rekuperaci tepla odpadního vzduchu. Decentralizované jednotky Tento - účelům této práce nepříliš relevantní způsob využívá samostatných komplexních jednotek v každé pobytové místnosti, které jsou vybaveny přesným regulátorem průtoku, ohřívacím zařízením a rekuperátorem. Jejich použití je ale omezeno spíše na rekonstrukce a dodatečné úpravy budov. Centrální systém je jinak vždy vhodnější. Nucené větrání s centrálním přívodem i odvodem vzduchu Patrně nejelegantnější a také nejpoužívanější systém. Pobytové místnosti jsou opatřeny přívody čerstvého vzduchu, navrženými do vhodných míst podle velikosti a účelu jednotlivých místností. V centrálním prostoru (chodba, hala, schodiště) se umisťuje odtah znečištěného vzduchu. Stejně musí být vzduch odveden z místností s velkým vývinem škodlivin (koupelna, WC, kuchyňský prostor). Čerstvý vzduch bývá nasáván na vhodném místě na neosluněné fasádě, na střeše, na straně odvrácené od ulice zatížené silnou dopravou tedy vždy individuálně podle situace a parametrů projektu. V technické místnosti je pak umístěna centrální jednotka s rekuperací, jejíž princip již byl zmíněn. Vývod kontaminovaného vzduchu musí být umístěn tak, aby jím nebyl negativně ovlivněn prostor pro nasávání vzduchu čerstvého. Její princip je dobře patrný ze schématu vlevo. Její součástí je ohřívač vzduchu, který může být elektrický či teplovodní, napojený na kotel či jiný zdroj tepla (případně přes akumulační nádrž). Tímto způsobem lze ušetřit až 80% energie pro větrání, tedy cca ¼ spotřeby domu. 31
schéma rekuperační jednotky[9] Doplňkové systémy Zemní výměníky tepla zemní registr Toto velmi elegantní úsporné opatření slouží k přirozenému klimatizování objektů v letním i zimním období, nejedná se tedy o v drobných stavbách nevhodnou kompletní (i vlhkostní) úpravu vzduchu. Zároveň toto zařízení s nulovou energetickou náročností slouží jako protimrazová ochrana rekuperačního výměníku VZT jednotky. Skládá se z trubky (polypropylen, polyetylen či polyvinylchlorid) o průměru cca 200 mm a délce 20 25 m uložené v zemině v hloubce 2 m. V zimním období má zemina v této hloubce stabilní teplotu 4-8 C. Při průtoku vzduchu je tento ohříván při vnější teplotě -15 C na cca +2 až +5 C na výstupu ze zemního registru. V létě je teplota zeminy cca 10-14 C a při přetlakovém větrání je přiváděný vzduch o teplotě 32 C zchlazen na cca 17-22 C. Přívod vzduchu z fasády je vybaven klapkou se servopohonem napojenou na teplotní čidlo. Při přechodném období (vnější teplota 0-25 C) je klapka uzavřena a vzduch je nasáván zvnějšku přes fasádu. Potrubí se obvykle navrhne ve sklonu 1-2% ve směru od objektu ke vstupní šachtě o průměru alespoň 800 mm vzhledem k možnosti čištění. Sklon od objektu ale není podmínkou. ZVT musí být čistitelný. Čištění se provádí protahováním čistícího přípravku v desinfekčním roztoku pomocí vestavěného ocelového lanka cca 1x za rok. Vstup do šachty je opatřen 32
filtrem buď pomocí tahokovu nebo plastové vstupní síťky. Druhý stupeň je řešen výměnnou filtrační tkaninou třídy G4. Šachta je samozřejmě kryta stříškou. Tyto komponenty zamezují vnikání vody, hmyzu i pachů do výměníku. Předpokladem návrhu je vhodná zemina, která nepůsobí jako izolant, přestup tepla mezi trubkou a okolním prostředím musí být co nejsnazší. Vyloučen je tedy obsyp štěrkem či štěrkopískem. Využití dešťové vody Další z možností přátelských k životnímu prostředí je využití dešťové vody. Voda je ze střechy odváděna okapem či vpustí do rozměrných podzemních zásobníků, kde je ukládána a poté čerpána pro potřeby domu. V drtivé většině případů je tato voda využívána ke splachování WC, v ostatních případech je totiž vždy nutné kontrolovat kvalitu vody. Využití v rodinných domech je ovšem diskutabilní vzhledem k malé celkové denní spotřebě vody na WC a zejména vzhledem k obvykle malé využitelné svodné ploše. Řešením může být využití vody například na zalévání zahrady apod. Možnost tohoto využití bude v praktické části prověřena výpočtem. Přesto tato moderní možnost zůstává ve většině případů spíše výsadou větších budov bytových domů, administrativních budov a budov občanské vybavenosti. Aktualita Následující článek byl uveden v internetové sekci deníku Právo (www.novinky.cz) dne 30.5.2008 a měl by posloužit jako jeden z argumentů podporujících prognózu vývoje cen energií z roku 2005, uvedené v kapitole Volba energetického média: Drahá ropa dopadla na domácnosti, plyn podraží až o 15 procent Kdo na plynu vaří a ohřívá jím vodu, připlatí si měsíčně až několik stovek. Češi, kteří topí nebo vaří na plynu, si od července připlatí. Zdražení chystají všichni tuzemští distributoři plynu. Domácnosti, které odebírají plyn od největšího prodejce v Česku RWE Transgas, zaplatí od července v průměru o 9,6 procenta více. Energetická společnost E.ON zdraží od července dokonce o 15 procent. Odběratele má především v jižních Čechách. 30. 5. 2008 11:22-30. 5. 2008 13:25 Aktualizováno - ČESKÉ BUDĚJOVICE Domácnostem, jež používají plyn na topení v domě, ohřev vody a vaření, se podle největšího českého distributora plynu měsíční platba průměrně zvýší o 294 korun. Už v lednu ceny pro domácnosti, které odebírají plyn od RWE Transgas, vzrostly v průměru o 7,4 procenta, od dubna v průměru o o 3,1 procenta. Odběratelé firmy E.ON, kteří na plynu jen vaří, si připlatí jen několik korun měsíčně. Pokud plynem topí a ohřívají vodu, vzroste jejich měsíční platba o několik set korun. E.ON, který dodává plyn 110 tisícům zákazníků na jihu Čech, letos narozdíl od konkurence zdražuje poprvé. Chyba! Neznámý argument přepínače.:. O kolik procent zvedne ceny plynu RWE pro domácnosti v jednotlivých krajích. Foto: RWE 33
Za dražším plynem stojí podle distributorů dramatický nárůst ceny ropy v posledních měsících. "Diktát rostoucích cen ropy je neúprosný, všichni se s ním setkáváme každodenně u čerpacích stanic při tankování nafty či benzínu. To se samozřejmě odrazilo v cenách ropných derivátů, které se na rostoucí ceně zemního plynu podílejí největším dílem, řekl člen představenstva RWE Transgas Tomáš Varcop. Dopady růstu cen ropy v České republice stále pomáhá tlumit silná koruna. "Například v sousedním Německu očekávají obchodníci během letních měsíců nárůst cen zemního plynu až o 19 procent," dodal Varcop. Skupina RWE je největším obchodníkem se zemním plynem v Česku. Koncern má v Česku 2,3 miliónu zákazníků a ovládá dvě desítky společností. 34
II. praktická část - návrhy V další části bakalářské práce bude představen vlastní návrh nízkoenergetického domu. V příloze {1} jsou uvedeny součásti architektonické studie. Podrobnější dokumentace projektu bude přiložena v podobě přesně popsaných skladeb obálkových konstrukcí (uvedeny v teoretické části v kapitole Stavební konstrukce) a popisu otvorových výplní (viz níže) neboť jsou nezbytně nutné pro stavebně-fyzikální analýzu objektu a výpočet tepelných ztrát. Výpočet pomocí programu Ztráty 2008 v příloze {2} bude poté základním kamenem pro návrh energetického systému domu. Architektonické řešení Návrh domu byl proveden v souladu s osvědčenými pravidly pro nízkoenergetické domy a typologickými architektonickými zásadami: hlavní obytný prostor je osluněn z jihu a jižní fasáda je stíněna střechou předsazenou o 1,2 m, aby bylo zabráněno přehřívání objektu v letním období technické prostory (technická místnost, WC, koupelna a pracovna) zaobírají severní stranu budovy místnosti určené pro spaní jsou orientovány na východ dům je kompaktní, bez jakýchkoli technologicky i jinak složitých detailů dům považovaný spíše za dům startovací neplýtvá prostorem, garážové stání je řešeno jako volné pod předsazenou střechou na západní straně domu místnost TZB je situována centrálně, aby byla minimalizována délka rozvodů VZT (zároveň je jejich návrh vhodnější vzhledem k tlakové ztrátě) místnost TZB je navržena tak, aby bylo vyloučeno rušení klidové zóny hlukem dispozice je navržena s ohledem na minimalizaci délky veškerých rozvodů, tedy i rozvodů vzduchotechniky, vody, kanalizace i elektřiny otvorové výplně tvoří kvalitní dřevohliníková okna s trojskly INTERNORM, výrobcem udávaná hodnota součinitele prostupu tepla je znamenitých 0,68 W/(m 2 K) a hodnota g definující prostupnost solárního tepla je 53 % 35
Stavební konstrukce V následující pasáži budou uvedeny převzaté příklady elegantního řešení obálkových konstrukcí nízkoenergetické budovy, které budou použity pro návrh domu v praktické části práce. Koncept byl převzat z úspěšného projektu pasivních domů v rakouském Hörbranzu. Projekt byl uveden v rámci evropského fondu CEPHEUS (Cost Efficient Passive Houses as EUropean Standards. Všechny konstrukce dosahují uvedených součinitelů prostupu tepla, respektive jejich ekvivalentní hodnoty se započítáním systematických tepelných mostů [2]. Absenci možné kondenzace vodní páry během modelového roku v rizikových částech konstrukce za náležitých okrajových podmínek pro oblast České Budějovice prověří výpočet v příloze {2} provedený v programu Teplo 2008 [5]. Střecha Jako nosná konstrukce jsou použity úsporné kombinované I nosníky. Stěna Stěna je řešena jako středně těžká, s nosnou konstrukcí z cihlobet. tvárnic s vnější izolací z korkových desek. Tato stěna byla navržena z důvodu zvýšení tepelné stability v letním období. Korková izolace - přítomnost korkoviny (složitá směs mastných kyselin a 36
těžkých organických alkoholů) umožňuje, aby korkové pletivo nepropouštělo tekutiny a plyny. Tento fakt způsobuje, že korek netrouchniví. K tomu, aby byl ještě účinnější, přispívá přítomnost tříselných látek a nedostatečné množství albuminových látek. Proto může být korkové pletivo považováno za látku nepodléhající hnilobě, která se při působení vlhkosti nemění. Kusy korku byly ponořeny do vody po mnoho století, aniž by shnily. Podlaha 37
Možnosti řešení detailů Následující detaily jsou převzaty přímo z projektové informace CEPHEUS řadových domů v Hörbranzu. Nejsou tedy konkrétní součástí projektu diskutovaného nízkoenergetického domu, ale pouze nastíněním přípustného detailního řešení. 38
Výpočet tepelné ztráty objektu Tepelnou ztrátu lze spočítat několika způsoby, tyto postupy jsou obsaženy v normách ČSN 060210, ČSN EN ISO 6946, ČSN EN ISO 10077, ČSN EN 832 a ČSN EN 12831. Jistě není nutné na tomto místě uvádět podrobnou teorii výpočtu, proto bude nastíněn pouze stručný přehled. Klíčovým údajem je znalost skladeb obvodových konstrukcí podlah, stropů a střech a jejich součinitel prostupu tepla. Dále musíme znát součinitel prostupu tepla oken a dveří. Podstatnou částí výpočtu jsou tepelné ztráty infiltrací a tepelná ztráta větráním. Ta je extrémně důležitá v našem případě, kdy bude použita rekuperace tepla. 39
Výpočtová vnitřní teplota t i se obvykle volí shodná s teplotou přechodových zón (chodba, šatny) a to 20 C. Celková tepelná ztráta místnosti je získána součtem podle následujícího vztahu Q c = Q p + Q v [kw] kde Q p.. je ztráta prostupem tepla Q v.. je ztráta větráním [kw] [kw] Q p, ztrátu prostupem tepla [kw] stanovíme podle rovnice Q p = Q o (1 + p 1 + p 2 + p 3 ) kde Q o je základní ztráta a p 1-3 jsou přirážky upravující vliv chladných konstrukcí, urychlení zátopu a orientaci ke světovým stranám. Základní ztráta Q o se týká vždy jedné místnosti a je dána součtem tepelných toků prostupem tepla jednotlivými konstrukcemi, které místnost obklopují. Q o = U j S j (t i - t ej )*10-3 kde U j je SPT [W/m 2 K] S j je ochlazovaná část stavební konstrukce [m 2 ] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] t e. je výpočtová venkovní teplota [ C] Je-li tedy rozdíl mezi teplotami ve zkoumané a sousední místnosti nulový, lze tepelnou ztrátu považovat za nulovou. Analogicky je-li teplota v sousední místnosti vyšší, hovoříme o tepelném zisku. Tepelná ztráta větráním a infiltrací Q v se vypočte podle vztahu 40
Q v = Q r + Q vi [kw] kde tepelnou ztrátu větráním Q r spočteme dle vztahu Q r = V vh c n ( t i t r ) * 10-3 [kw] t r = η r ( t i - t ej ) + t e [ C] kde c n je vzduchová kapacitní konstanta = 0,337*10-3 [kwh/m 3 K] V vh je požadovaný průtok větracího vzduchu [m 3 /h] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] t e. je výpočtová venkovní teplota [ C] t r. je teplota přiváděného vzduchu po rekuperaci [ C] η r. je účinnost rekuperace [%] a tepelnou ztrátu infiltrací Q vi podle vztahu (ČSN 060210): Q vi = 1300 (i LV L)* B * M * ( t i - t e ) * 10-3 [kw] kde i LV je součinitel spárové průvzdušnosti [m 3 * s -1 /(m * Pa 0.67 ) ] L je délka spár otevíratelných částí oken a dveří (návětrná strana) [m] M. je charakteristické číslo místnosti (závisí na poměru průvzdušnosti oken a vnitřních dveří v rozsahu 0,4-1) [Pa 0.67 ] B. je charakteristické číslo budovy (závisí na rychlosti větru) [Pa 0.67 ] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] t e. je výpočtová venkovní teplota [ C] norma ČSN EN 12831 uvádí alternativní postup: Q vi =2 * V i * n 50 * e i * ε i * c n * ( t i - t e ) [kw] 41
kde V i je objem vytápěné místnosti (vnitřní rozměry) [m 3 ] n 50 je intenzita výměny vzduchu (viz výše) [h -1 ] e i. je stínící činitel (rozsah 0 0,05) [-] ε i. je výškový korekční činitel (pro objekty nižší než 10 m je hodnota 1) [-] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] t e. je výpočtová venkovní teplota [ C] Výpočtová vnější teplota je odvozena z dlouhodobých meteorologických údajů podle klimatických oblastí. Pro náš výpočet (dům je navrhován v Českých Budějovicích) byla použita dle ČSN 060210 teplota -15 C. Vzhledem k relativní náročnosti výpočtu bude vhodné použít k výpočtu vhodný software. Autorem zvolený program Ztráty 2008 je při správném zadání okrajových podmínek jednou z možností jistého výpočtu podle výše uvedených norem. Z podrobných výsledků v příloze {2} je zřejmé, že je nutné pokrýt tepelnou ztrátu objektu 3,631 kw, z toho tepelné ztráty větráním 1,630 kw. Je také vhodné konstatovat, že tepelná ztráta větráním je podle očekávání velmi značná vzhledem k celkové ztrátě. Celkovou tepelnou ztrátu domu lze považovat za velmi malou a vzhledem poměrně nízké výpočtové účinnosti rekuperačního zařízení je výsledek na straně bezpečnosti. Přesto je také namístě podotknout, že cesta od teorie k praxi bývá dlouhá a je třeba dbát na správné navržení a provedení konstrukčních detailů a ve zvýšené míře dbát technologické kázně. 42
Varianty řešení energetického systému Smyslem této bakalářské práce je v souladu se zadáním navrhnout tři vhodné energetické systémy pro navržený rodinný dům. Všechny varianty mají shodný systém pro vzduchotechniku (vytápění a větrání) je zde použito rekuperačních jednotek (a příslušenství) vyráběných firmou Atrea s.r.o. v Jablonci nad Nisou. Firma existuje od roku 1990 a je zavedeným a spolehlivým hráčem na českém trhu. Hovoří pro ni nejen kladné odborné reference, ale i aktivní účast na vývoji a výzkumu, pořádání odborných seminářů a účast na oborových veletrzích a konferencích. Je držitelem řady odborných ocenění a jméno si získala mimo jiné podporou prvního hromadně realizovaného souboru pasivních domů v obci Koberovy v Českém ráji. Pro vytápění a větrání je použito Jednotek DUPLEX RB, jejichž maximální topný výkon je cca 3,3 kw a je tak schopný pokrýt výpočtovou tepelnou ztrátu po odečtení ztrát koupelny,wc a technické místnosti, které musejí být vytápěny jiným způsobem. Jednotka je vždy umístěna v technické místnosti. Důvody tohoto faktu již byly popsány výše. 43
VARIANTA 1 V této variantě bylo jako zdroj tepelné energie tepelné čerpadlo země-voda. Pro výkon 10kW je zapotřebí cca 250 300 m 2 plochy pozemku. Implicitně je tedy předpokládáno umístění budovy na pozemku o vhodné výměře a vhodném typu půdy. Plocha nad kolektorem je nezastavitelná, jak již bylo zmíněno v teoretické části v kapitole Tepelná čerpadla. Aby tepelné čerpadlo mohlo krýt tepelnou ztrátu monovalentně, je tedy třeba mít k dispozici 80-100 m 2 pozemku při vhodných podmínkách. Tepelná ztráta koupelny 0,381 kw bude kryta moderním otopným žebříkem LOWA- VM Eurosystem (790x500x75-87 mm) o výkonu 416W. Technická místnost a WC budou vytápěny topnou rohoží K a V elektro a.s. o výkonu 160W/m 2. Energie bude ukládána v integrovaném zásobníku tepla IZT SN 615 (795 x 2100 mm) vybaveným elektrospirálami. Jako zdroj je ve střední části nádrže osazena jedna elektrospirála o výkonu 4 kw pro rychlý letní dohřev TUV. V dolní části jsou osazeny dvě elektrospirály o výkonu 2 kw a 4 kw pro akumulační ohřev v zimním období (jedna z nich zasahuje přímo do spodní části stratifikátoru). Počítá se zde také s umístěním krbových kamen v obývacím prostoru. Tato kamna jsou, jak již rovněž bylo zmíněno, důležitá i z psychologického hlediska. 44
VARIANTA 1 SCHÉMA ZAPOJENÍ, ČÁSTEČNÁ TECHNICKÁ SPECIFIKACE integrovaný zásobník tepla IZT-SN 615 l vzduch d=795mm, h=2100mm tři elektrospirály 2 + 4 + 4 kw otop. žebřík LOWA-VM eurosystem 790x500x75-87 výkon: 416W IZT TUV spotřeba p = 40l/osoba/den ZZT EN DUPLEX RB (max. 3,3kW) TČ Tepelné čerpadlo ZEMĚ - VODA IVT Greenline 11 E (4 kw) 110m2 plochy + vhodná půda hlavní rozvaděč ELEKTRO ostatní domácí spotřebiče + krb v obytném prostoru topná rohož K a V thermo (koupelna + tech. místnost) 1/N/PE - 50Hz, 230V řada Basic LEP: typ 2LF160/0,6 výkon max. 160W/m2 45
VARIANTA 2 Druhá varianta energetického systému počítá se zdrojem energie v podobě moderního elektrokotle PZP MINI o regulovatelném výkonu 4 kw a je doplněna krbovými kamny v obytném prostoru. Vlastní kotel ocelové konstrukce je tepelně izolován proti úniku tepla do okolí. Je vybaven topnými tělesy o výkonu požadovaném zákazníkem v daném rozsahu, kombinovaným provozním a bezpečnostním termostatem, bezpečnostním tlakovým spínačem a odvzdušňovacím ventilem. Technická specifikace: výkon 3 12 kw dle požadavků připojení na el. síť 3+NPE, 400/230V, 50Hz regulační rozsah 35-95 C provozní tlak min. 20 kpa objem 7 dm 3 hmotnost 12 kg hmotnost rozvaděče 8 kg K předehřátí, respektive předchlazení větracího vzduchu je použito zemního registru. Ten je tvořen plastovou trubkou o průměru 200 mm (typicky polyetylen, polypropylen nebo polyvinylchlorid) vedenou v délce 20 25 m v hloubce alespoň 2 m. V ní se vzduch předehřeje, respektive ochladí. Přívod vzduchu bude opatřen klapkou se servopohonem napojeným na teplotní čidlo. Alternativně za příhodných podmínek (tj. při teplotách menších než 0 C a větších než 25 C) bude tedy čerstvý vzduch přiváděn přes zemní registr. WC a technická místnost budou vytápěny topnou rohoží K a V elektro a.s. o výkonu 160W/m 2, koupelnu vytopí shodný typ otopného žebříku jako ve Variantě 1. 46
VARIANTA 2 SCHÉMA ZAPOJENÍ, ČÁSTEČNÁ TECHNICKÁ SPECIFIKACE ostatní domácí spotřebiče vzduch otop. žebřík LOWA-VM eurosystem 790x500x75-87 výkon: 416W + krb v obytném prostoru Elektrokotel PZP MINI 3-12kW max.proud: 18A (pro 12kW), 35/95st.Celsia, 400/230V) hlavní rozvaděč ELEKTRO EN ZZT TUV TUV spotřeba p = 40l/osoba/den DUPLEX RB (max. 3,3kW) při te = 0-25 st. Celsia sání tvarovkou ve stěně při < 0 nebo > 25 st. celsia sání přes zemní registr osazení klapkou se servopohonem zemní registr PE, PP, PVC, d=200mm hloubka: 2 m, průměr 200 mm, délka 25 m vhodná zemina! čištění 1 x ročně, šachta 800 mm, spád 1,5 % 1/N/PE - 50Hz, 230V topná rohož K a V thermo (koupelna + tech. místnost) řada Basic LEP: typ 2LF160/0,6 výkon max. 160W/m2 47
VARIANTA 3 Do třetice je jako primární zdroj uvažována kombinace solární panely / krbová vložka. Vzhledem k ne vždy jistému výsledku těchto komponent je nezbytné navrhnout záložní zdroj tepla. Protože v tomto systému se neobejdeme bez integrovaného zásobníku tepla, budou tento nouzový zdroj představovat opět tři elektrospirály vestavěné v zásobníku. WC bude vytápěno topnou rohoží K a V elektro a.s. o výkonu 160W/m 2, koupelnu vytopí shodný typ otopného žebříku jako ve Variantě 1. Výkon krbové vložky se pohybuje kolem 8 12 kw, v našem případě kamna ABX YORK 4634-7 s výměníkem od výrobce ABX je výkon 8,5 kw. Jejich vytápěcí schopnost pokryje cca 140 180 m 3 a průměr kouřovodu je 150 mm. Solární panely mohou být umístěny na střeše objektu na vyvýšené podpůrné konstrukci, tak aby nemohly být stíněny okrajem sedlové střechy. Podle [1] je zapotřebí cca 1,5 m 2 plochy kolektoru na osobu. Pro navržený objekt je tedy zapotřebí minimálně 6 m 2 plochy kolektoru. Navrženy jsou kolektory GREENPIPE VACUUM VK25. Jejich předností je vysoká účinnost díky vakuu a selektivnímu povrchu dlouhá životnost (žádné styky kovu se sklem a selektivní povrch ve vakuu) dvojité zrcadlo k umocňování zisků snadná výměna trubic bez přerušení provozu Účinná plocha jednoho kolektoru je 2,36 m 2, budou tedy navrženy 3 kolektory umístěné na podpůrné konstrukci. Technická specifikace (1 panel): hmotnost rozměry (š x v x h) pohltivost 96% emisivita e 6% sklon (min/max) 15 /75 max. teplota 270 C doporučený průtok 15 30 l / h / m 2 42 kg 1,56 x 1,67 x 0,107 m cena 36900,- zapojení max 6 do série 48
VARIANTA 3 SCHÉMA ZAPOJENÍ, ČÁSTEČNÁ TECHNICKÁ SPECIFIKACE vzduch otop. žebřík LOWA-VM eurosystem 790x500x75-87 výkon: 416W ZZT DUPLEX RB (max. 3,3kW) hlavní rozvaděč ELEKTRO ostatní domácí spotřebiče 1/N/PE - 50Hz, 230V integrovaný zásobník tepla IZT-SN 615 l d=795mm, h=2100mm tři elektrospirály 2 + 4 + 4 kw TUV spotřeba p = 40l/osoba/den TUV IZT EN topná rohož K a V thermo (koupelna + tech. místnost) řada Basic LEP: typ 2LF160/0,6 výkon max. 160W/m2 krbová vložka (8-12kW) solární panely 1,5m2 plochy kolektoru / osoba návrh: 8 m2 49
Popsané energetické systémy budou na následujících stránkách přehledně shrnuty v jednoduchých názorných schématech. Jedna z variant bude podrobněji rozkreslena v půdorysu domu ve výkresech připojených bezprostředně za následujícím výpočtem vzduchotechnického systému. Dimenzování teplovzdušného systému Základním kritériem je stanovení minimálního množství větracího a vytápěcího vzduchu V min pro jednotlivé místnosti a maximálního množství V max s ohledem na pocit průvanu. V min = V m * n min V max = V m * n max kde V m je objem místnosti [m 3 ] n min je minimálně přístupná intenzita výměny vzduchu dle ČSN (zde 0,6) [ C] n max. je maximálně přístupná intenzita výměny vzduchu (zde 2,5) [ C] místnosti. Výsledné intervaly vzduchových množství jsou zakresleny přímo ve výkrese v každé Doporučené množství přiváděného větracího a cirkulačního vzduchu při udržení optimální koncentrace 1200 ppm CO 2 dle EN CR 1752 CEN hygienická třída mikroklimatu C v obytných prostorách objektu definuje následující tabulka (zkrácená pro potřeby řešeného objektu). Navržené hodnoty jsou zakresleny v půdoryse. ložnice 2 dospělé osoby 40 m 3 /h dětské pokoje celodenní provoz 2 osoby 50 m 3 /h obývací prostory s kuchyní (min. 100 m 3 /h) počet osob x 25 m 3 /h pracovny 30 m 3 /h ostatní neobytné prostory 10 m 3 /h Množství topného vzduchu V c2 pro pokrytí tepelných ztrát prostupem tepla a větráním stanovíme ze vztahu 50
Pro celou budovu: V c2 = Q c / ( c n * ( t c2 t i )) kde Q c je tepelná ztráta objektu pokrývaná teplovzdušně [kw] t c2 je teplota vzduchu přiváděného do místnosti v závislosti na teplotě otopné vody [ C] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] Dimenzování přívodních vyústek Při návrhu počtu vyústek v jednotlivých místnostech se vychází z limitního průtokového množství vzduchu na vyústku PMR je 80 m 3 /h. Na výpočtovou ztrátu každé místnosti se navrhuje množství vzduchu V m a počet vyústek dle vztahu: Pro jednotlivou místnost: V m = Q m / ( c n * ( t c2 t i )) PMR V m / 80 kde V m je průtok cirkulačního vzduchu v místnosti [m 3 /h] Q m je výpočtová celková tepelná ztráta místnosti [kw] t i. je výpočtová vnitřní teplota v místnosti [ C] t c2 je teplota vzduchu přiváděného do místnosti v závislosti na teplotě otopné vody [ C] Hodnotu t c2 můžeme pro rodinné domy stanovit přímo z grafů uváděných na stránkách výrobce www.atrea.cz v závislosti na teplotě otopné vody (zde 50 C) a vzduchového množství. Vzduchové množství stanovíme opět podle grafu v závislosti na spočtené tepelné ztrátě objektu. 51
V c2 = 330 m 3 /h (z grafu 5-4) a V c2 = V m t c2 = 45 C (z grafu 5-5) tabulky: Výsledky výpočtů po dosazení do vzorců jsou pro přehlednost zaneseny do následující místnost ztráta Q m [W] vzd. množství V m [m 3 /h] počet vyústek obytná místnost / kuchyně 1441 171,039 3 pokoj 1 (dtto pokoj 2) 464 55,074 1 pracovna 344 40,83 1 odlišné vytápění koupelna 381 otopný žebřík 416W technická místnost 126 topná rohož 160W/m 2 WC 148 topná rohož 160W/m 2 52
Analogicky konstatujme, že dle vztahů (a dimenzovacích provozních stavů jednotky): V c1 = V c2 a V i1 = V i2 kde V c1 množství cirkulačního vzduchu [m 3 ] V c2 množství vytápěcího a větracího vzduchu [m 3 ] V i1. množství vypouštěného vzduchu [m 3 ] V i2 množství odsávaného vzduchu [m 3 ] je vzduchové množství odsávaného, a tedy i čerstvého vzduchu 170 m 3 /h. (viz výkres) Ohřev teplé užitkové vody Zjednodušená dimenze a energetická náročnost spotřeby TUV vychází z předpokládané potřeby p = 40l/den/os (ohřev na 50 C) Q TUV = n * p * c * t * 10 3 * 365 = 4 * 40 * 1,16 * (50-10) * 10 3 * 365 = 2700kWh/rok Dimenzování zásobníku tepla (IZT) Při požadavku na 90 100 % pokrytí spotřeby TUV v letním období se dle [1] navrhuje kapacita zásobníku na 80 110 l /os, tzn. při výpočtovém obsazení 4mi osobami činí 300 450l. Pro varianty energetického systému je navržen typ IZT-SN 615 o objemu 615l, který je dodáván firmou Atrea a je tak maximálně vhodný pro propojení s rekuperační jednotkou Duplex RB. Je také standardně vybaven topnými elektrospirálami. Jako zdroj je ve střední části nádrže osazena jedna elektrospirála o výkonu 4 kw pro rychlý letní dohřev TUV. V dolní části jsou osazeny dvě elektrospirály o výkonu 2 kw a 4 kw pro UT pro akumulační ohřev v zimním období (jedna z nich zasahuje přímo do spodní části stratifikátoru). Posouzení možnosti využití srážkové vody Výpočtem podle apletu na www.tzb-info.cz bylo ověřeno, že plocha střechy domu nevystačí potřebě vody stanovené podle počtu obyvatel (4) a předpokládané celkové spotřeby 53
veškeré vody na obyvatele a den (140 l) v závislosti na intenzitě dešťů pro oblast České Budějovice. To vše platí v případě, že by se voda používala i jako voda pitná, to je však spojeno také s kontrolou kvality vody. Při používání srážkové vody pouze na splachování WC, zalévání zahrady atp. by již byla realizace možná, zůstává však problém vyskoé nákladnosti podzemního zásobníku. Zároveň bylo tímto způsobem prokázáno, že navržený dům by byl optimální pro využití dešťové vody (i jako pitné), pokud by byl realizován v lokalitě s vyšším ročním výskytem srážek dle Normály ročních srážkových úhrnů (Metoda spliningu dr. Květoně a ing. Retta). Za vhodnou lokalitu by bylo možno označit například některou z horských a podhorských oblastí ČR (Pošumaví, Krušné Hory, Podkrkonoší atp.). Náhled automatického výpočtu je uveden v příloze {2} Výpočty. Studie oslunění Dalším z interaktivních výpočtových skriptů na www.tzb-info.cz lze posoudit míru zastínění okna objektu. Tímto způsobem bylo prokázáno, že velká okna jižní fasády objektu budou v době letního slunovratu v červnu ve 12:00 zastíněna z 86,5 % a menší okna nad nimi budou zastíněna zcela. Kritickým může být v tomto směru (letní přehřívání objektu) měsíc srpen (vysoké průměrné teploty, vysoká intenzita slunečního svitu), během něhož jsou velká okna zastíněna jen z 30,7 % (malá jsou samozřejmě stále zcela zastíněna). Studie zastínění je s příslušným grafickým schématem uvedena v příloze {2} Výpočty. 54
ti = 20 C <12,25 / 30,63> ti = 20 C ti = 20 C <86,72 / 216,82> ti = 20 C -30 m3/hod ti = 20 C ti = 24 C ti = 20 C ti = 20 C <20,93 / 52,33> ti = 20 C <20,93 / 52,33> <XX,XX / XX,XX> Zpracoval Vedoucí bakalářské práce Školní rok Bakalářská práce - Katedra technických zařízení budov Název: Varianty řešení nízkoenergetických domů Příloha: NÁVRH VEDENÍ ROZVODŮ VZT Datum Meřítko Číslo výkresu Konzultant 55
Zpracoval Vedoucí bakalářské práce Školní rok Bakalářská práce - Katedra technických zařízení budov Název: Varianty řešení nízkoenergetických domů Příloha: SCHEMATICKÝ NÁVRH ROZMÍSTĚNÍ Datum Meřítko Číslo výkresu Konzultant 56
Závěr osobní pohled autora Při zpracování své bakalářské práce jsem se přesvědčil, že problematika nízkoenergetického stavění je již velmi dobře zpracována nejen v zahraniční, ale i české literatuře. Pozoruhodné je i velké množství sofwarových programů pro oborové výpočty a posuzování návrhů. Značná pozornost je tématu věnována také v odborných internetových projektech a samozřejmě také na stránkách oborových firem. Ne vždy jsou však tyto informace komplexní a ne vždy jsou zbaveny typického komerčního filtru korektních informací. Obrovským přínosem je pro naši zemi sousedství a kulturní spřízněnost s Rakouskem a Německem, zeměmi, které jsou proslulé svým kladným vztahem k životnímu prostředí a diskutovaná problematika stavebnictví je v nich zpracovávána již mnoho let. Proto jsem se snažil v rámci časových a rozsahových možností pojednat práci v takové formě, aby byla případně srozumitelná i neodborné veřejnosti. Téma bakalářské práce jsem si nevybral náhodou, protože k životnímu prostředí a přírodě mám kladný vztah po celý život a mým profesním cílem je skloubit technické povolání architekta projektanta právě s těmito (v dnešním komerčním světě tolik opomíjenými) ekologickými aspekty. Jakkoli toto téma pro mě nebylo nové, uvítal jsem nečekanou možnost si v rámci mého semestrálního počinu problematiku projektování nízkoenergetických budov více přiblížit a prohloubit si znalosti v odborných oblastech stavební fyziky, technických zařízení budov i konstrukcí pozemních staveb. Petr Žížala eworm@email.cz tel. 608 58 11 54 57
Prameny a literatura [1] Unser Haus vom Keller bis zum Dach der ultimative Bauratgeber, Ausgabe 2008; Bohman Druck und Verlag GmbH, Wien [2] Tywoniak Jan: Nízkoenergetické domy - Principy a příklady; Grada 2007 [3] Srdečný Karel & EkoWATT: S energií efektivně příručka pro energeticky úspornou domácnost; Magistrát hlavního města Prahy 2007 [4] Energetický regulační úřad, www.eru.cz [5] Z. Svoboda: počítačový program Teplo 2008 a Ztráty 2008 [6] Jiří Vaverka, Vladan Panovec: Pasivní domy - Navrhování budov s nízkou energetickou náročností, www.archiweb.cz [7] Atrea s.r.o., Význam větrání budov, srovnání energetických parametrů, www.atrea.cz [8] Miroslav Hořejší: Tepelná čerpadla pro každého, www.tzb-info.cz [9] různí autoři: Výpočtové aplety na www.tzb-info.cz 58
Příloha {1} Zjednodušená architektonická studie rodinného domu 59
Zpracoval Vedoucí bakalářské práce Školní rok Bakalářská práce - Katedra technických zařízení budov Název: Varianty řešení nízkoenergetických domů Příloha: PŮDORYS Datum Meřítko Číslo výkresu Konzultant 60
Jižní fasáda Severní fasáda 61
Západní fasáda Východní fasáda 62
Příloha {2} Výpočty Teplo 2008, Ztráty 2008 VÝPOČET TEPELNÝCH ZTRÁT OBJEKTU, POTŘEBY TEPLA NA VYTÁPĚNÍ A PRŮMĚRNÉHO SOUČINITELE PROSTUPU TEPLA dle ČSN EN 12831, ČSN 730540 a STN 730540 Ztráty 2008 125BAPA ztráty RD Název objektu : Zpracovatel : Petr Žížala Zakázka : BAPA ČVUT Datum : 6.5.2008 Varianta : 1/1 Návrhová (výpočtová) venkovní teplota Te : -15.0 C Průměrná roční teplota venkovního vzduchu Te,m : 7.8 C Činitel ročního kolísání venkovní teploty fg1 : 1.45 Průměrná vnitřní teplota v objektu Ti,m : 20.1 C Půdorysná plocha podlahy objektu A : 144.5 m2 Exponovaný obvod objektu P : 51.7 m Obestavěný prostor vytápěných částí budovy V : 508.4 m3 Účinnost zpětného získávání tepla ze vzduchu : 70.0 % Typ objektu : bytový ZÁVĚREČNÁ PŘEHLEDNÁ TABULKA VŠECH MÍSTNOSTÍ: Návrhová (výpočtová) venkovní teplota Te : -15.0 C Označ. Název Tep- Vytápěná Objem Celk. % z Podíl p./č.m. místnosti lota plocha vzduchu ztráta celk. FiHL/(Ti-Te) Ti Af[m2] V [m3] FiHL[W] FiHL [W/K] 1/ 9 WC 20.0 2.1 5.8 148 4.1% 3.99 1/ 8 pracovna 20.0 13.7 46.0 344 9.5% 9.83 1/ 7 chodba/pred 20.0 15.8 54.6 204 5.6% 5.84 1/ 6 TZB 20.0 5.6 14.9 126 3.5% 3.59 1/ 5 koupelna 24.0 7.1 18.8 381 10.5% 10.30 1/ 4 satna 20.0 1.8 4.1 59 1.6% 1.70 1/ 2 pokoj 20.0 17.3 75.6 464 12.8% 13.25 1/ 1 obytná míst 20.0 40.1 101.7 1441 39.7% 41.17 Součet: 120.9 397.0 3631 100.0% 102.92 CELKOVÉ TEPELNÉ ZTRÁTY OBJEKTU Součet tep.ztrát (tep.výkon) Fi,HL 3.631 kw 100.0 % Součet tep. ztrát prostupem Fi,T 2.001 kw 55.1 % Součet tep. ztrát větráním Fi,V 1.630 kw 44.9 % Tep. ztráta prostupem: Plocha: Fi,T/m2: 63
stena 0.174 kw 4.8 % 49.3 m2 3.5 W/m2 strop 0.285 kw 7.8 % 80.8 m2 3.5 W/m2 podlaha 0.249 kw 6.8 % 120.9 m2 2.1 W/m2 INTERNORM okno 0.623 kw 17.2 % 22.7 m2 27.4 W/m2 dvere vstupni 0.045 kw 1.2 % 1.9 m2 23.8 W/m2 stěna 0.468 kw 12.9 % 133.8 m2 3.5 W/m2 střecha 0.140 kw 3.9 % 40.1 m2 3.5 W/m2 Tepelné mosty 0.018 kw 0.5 % --- --- PARAMETRY BUDOVY PODLE STARŠÍCH PŘEDPISŮ: Celková tepelná charakteristika budovy - ČSN 730540 (1994): q,c = 0.20 W/m3K Spotřeba energie na vytápění - STN 730540, Zmena 5 (1997): E1 = 14.95 kwh/m3,rok PŘIBLIŽNÁ MĚRNÁ POTŘEBA TEPLA NA VYTÁPĚNÍ PODLE STN 730540 (2002): Uvažované hodnoty : - obestavěný objem Vb = 508.35 m3 - průměr. vnitřní teplota Ti = 20.1 C - vnější teplota Te = -15.0 C - násobnost výměny n = 0,5 1/h - prům. výkon int. zdrojů tepla = 4 W/m2 - propustnost oken g = 0,5 - energie slun. záření = 200 kwh/m2,a Uvedená propustnost a energie slunečního záření se uvažují pro všechna okna vzhledem k tomu, že součástí zadání není popis orientací oken a jejich propustností. Potřeba tepla ke krytí tepelných ztrát prostupem Qt: Potřeba tepla ke krytí tepelných ztrát větráním Qv: 4679 kwh/a 5509 kwh/a 64