Bilance energetických potřeb u rodinného domu

Autor se zabývá možnostmi náhrady zdroje tepla pro vytápění a přípravu teplé vody v konkrétním rodinném domě. Stávající vytápění domu a příprava teplé vody je řešena pomocí elektřiny. Vypracovány jsou možné varianty energetického systému bez využití solární energie. Návratnost navržených opatření vychází poměrně krátká vzhledem k současnému ekonomicky nepříznivému řešení. Při ekonomických výpočtech variant energetického systému je třeba vždy zvažovat reálnost vstupních hodnot používaných do výpočtu a brát v úvahu celou energetiku objektu, možnosti v dané lokalitě a náročnost obsluhy. Platí zároveň, že z dlouhodobého hlediska je nejvýhodnější snížit samotnou energetickou náročnost objektu.

Recenzent: Michal Kabrhel

Současný trend snižování provozních nákladů u rodinných domů je velmi často spojován s tepelnou izolací obvodových konstrukcí, výměnou oken, výměnou zdroje tepla, změnou přípravy teplé vody, apod. V poslední době se z pohledu energetických úspor do popředí zájmu dostávají případy rodinných domů, jejichž stáří je okolo 10 let. Velká část majitelů těchto relativně nových staveb většinou stavbu financovala pomocí úvěrů, hypoték atp., a na případné investice do vyšší technické úrovně domu nezbývalo příliš prostředků. Z důvodů nízkých investičních nákladů, a samozřejmě i s ohledem na lokalitu objektu (převážně příměstská zástavba, tj. obce v těsné blízkosti větších měst), bylo navrhováno převážně elektrické vytápění (přímotopy, elektrokotel, apod.). Toto řešení sebou v současnosti s rostoucí cenou energií přináší otázku, zda by nebylo vhodné investovat do jiného zdroje tepla, nebo případně zda je lepší řešit otázku další tepelné izolace obvodových stěn, a tím snížit tepelné ztráty domu.

Na první pohled jednoznačné řešení je spojit obojí, tj. zateplit dům minimálně na současně platné legislativní požadavky a zároveň vyměnit zdroj tepla. Na druhou stranu toto řešení je samozřejmě investičně nejdražší. V dalším textu bude ukázána bilance energií u rodinného domu, jehož stavba byla dokončena v roce 2001 nedaleko Prahy a možnosti náhrady zdroje tepla.

Vstupní parametry

Otopná soustava posuzovaného rodinného domu je dvoutrubková, převážně horizontální, uzavřená a s nuceným oběhem vody. Teplotní spád je 65/50 °C. Otopná tělesa jsou navržena desková v pobytových místnostech a trubková v koupelnách domu. Regulace zdroje tepla je řešena prostorovým termostatem umístěným v obývacím pokoji. Zdrojem tepla je elektrokotel o jmenovitém výkonu 12 kW, který má trvale nastavenou teplotu výstupní vody 65 °C. Příprava teplé vody je řešena v elektrickém přímo ohřívaném zásobníku o objemu 160 l. Počet osob, které v rodinném domě žijí, jsou 4. Podkladem pro vyčíslení jednotlivých složek provozních nákladů byly faktury za odebranou elektrickou energii za poslední 3 roky, kdy v roce 2012 majitel domu změnil dodavatele elektrické energie.

Spotřebu elektrické energie na osvětlení, vaření, atd. lze pro posuzovaný dům uvažovat cca 1200 kWh/osobu·rok (zdroj Energetický regulační úřad). Tato hodnota je dána jednak počtem elektrických spotřebičů (elektrický sporák, elektrická trouba, pračka, lednička, myčka nádobí, sušička, malé domácí spotřebiče, osvětlení atd.), ale také stářím elektrických spotřebičů. Spotřeba teplé vody (TV) byla stanovena 45 l/osobu·den (přívodní teplota TV 55 °C). Tepelné ztráty rozvodů TV a zejména zásobníku TV byly s ohledem na stáří instalace, dispozici domu, délku a stav tepelné izolace jednotlivých rozvodů TV stanoveny na 20 %.

Jak ukazuje obr. 1, jednoznačně nejvyšší provozní náklady jsou na vytápění rodinného domu, v průměru za poslední 3 roky cca 52 000,– Kč/rok. Náklady na přípravu TV se pohybují okolo 10 000,– Kč/rok a náklady na ostatní elektrické spotřebiče vč. osvětlení cca 11 500,– Kč/rok. Současná sazba na dodávku elektřiny je D45d (tj. 20 hodin dodávka elektřiny v nízkém tarifu), pro jistič 3x25 A.

Na základě této jednoduché bilance je možné dále usuzovat na případné investice snižující provozní náklady domu. První možností je instalace jiného zdroje tepla. S ohledem na lokalitu domu se jako nejvhodnější jevilo použít zdroj tepla na tuhá paliva, zemní plyn nebo využít tepelné čerpadlo vzduch-voda. Další možností je změna přípravy teplé vody. S ohledem na varianty zdrojů tepla tedy zvážit využití zvoleného druhu paliva i pro přípravu TV buď celoročně, nebo v topné sezóně při provozu zdroje tepla na vytápění. Posledními možnostmi jak snížit náklady na provoz ostatních elektrických zařízení jsou např. výměna žárovek u osvětlení, výměna elektrických spotřebičů apod. Nicméně toto řešení je většinou v domácnostech řešeno v návaznosti na životnost takových spotřebičů, a proto se další text bude věnovat pouze systémům přípravy TV a výměně zdroje tepla. Je nutné také zdůraznit, že ani v jedné z variant nebude zohledněno využití solární energie a to z toho důvodu, že pro všechny varianty představuje další velmi podobné investiční náklady a tím samozřejmě i zhruba podobné hodnoty dosažených úspor.

První variantou je využití zdroje tepla na tuhá paliva. Pro tento dům byl vybrán peletový automatický kotel s externím akumulačním zásobníkem. Pro výpočty se uvažovaly smrkové pelety s výhřevností 4,78 kWh/kg. V jedné variantě byla TV připravována samostatným elektrickým přímo ohřívaným zásobníkem (tzv. Peleta 1) a v druhé byla využita kombinovaná akumulační nádrž pro otopnou soustavu a přípravu TV (tzv. Peleta 2), kdy v letním období byla TV připravována ohřevem elektrickou topnou patronou. Otopná soustava byla na sekundární straně řízena ekvitermně trojcestným směšovacím ventilem.

Druhou variantu představopval plynový kondenzační kotel s ekvitermní regulací a přednostní přípravou TV v nepřímo ohřívaném externím zásobníku. Pro výpočty se uvažoval tranzitní zemní plyn s výhřevností 9,97 kWh/m³. Ve variantách, s celoročním provozem kotle i na přípravu TV (tzv. Plyn 1), nebo samostatným ohřevem TV v elektrickém přímo ohřívaném zásobníku (tzv. Plyn 2).

Třetí variantou se stalo využití tepelného čerpadla vzduch-voda s kombinovaným zásobníkem pro TV a otopnou soustavu (tzv. TČ). V této variantě byl pro rodinný dům stanoven bod bivalence t_e = –4 °C, kdy při nižších venkovních teplotách zajistil přípravu TV a otopné vody stávající elektrokotel. Počet dnů, kdy bude potřebu tepla na vytápění a TV hradit elektrokotel je možné odečíst z obr. 2.

Celková tepelná ztráta domu je 9 kW. S ohledem na vyšší teplotní spád původně navržené otopné soustavy (tj. 65/50 °C) a skutečné velikosti instalovaných otopných ploch, byl proveden přepočet tepelného výkonu otopných těles na teplotní spád 60/45 °C. Jak se ukázalo, takto zvolený teplotní spád by hodnotám tepelných ztrát domu vyhovoval. Nově navržený teplotní spád je vyhovující i pro tepelné čerpadlo, které má při ekvitermní regulaci v bivalentním bodě požadavek na vstupní teplotu do otopné soustavy cca 52 °C.

Investiční náklady ukazuje tabulka 2. Ve sloupci označující položku „Ostatní“ jsou zahrnuty další náklady. U kotle na tuhá paliva to jsou např. náklady na trojcestný směšovací ventil vč. servopohonu, oběhová čerpadla, regulaci, akumulační nádrž, atd. U plynového kondenzačního kotle je navíc zahrnuta investice na zřízení přípojky plynu. U tepelného čerpadla ostatní náklady představovaly zejména požadavky na změnu hydraulického napojení mezi elektrokotlem a TČ. Práce za montáž, dopravu, uvedení do provozu, atd. nejsou v tabulce 2 zahrnuty.

Do provozních nákladů v kategorii ostatní (tabulka 3) řadíme u peletového kotle a kondenzačního kotle náklady na pravidelné revize kotlů a revize spalinové cesty, dále náklady na dopravu pelet a paušální platby za dodávku zemního plynu. U tepelného čerpadla jsou v položce ostatní zahrnuty paušální náklady na elektřinu. Reálná provozní účinnost peletového kotle byla uvažována h_peleta = 83 % [L2], u kondenzačního kotle h_kond = 96 % a průměrný roční topný faktor u tepelného čerpadla e_TČ = 2,6. U variant s celoroční přípravou TV v elektrickém přímo ohřívaném zásobníku TV bylo uvažováno s ročním tarifem elektřiny D25d pro nabíjení zásobníku TV v nízkém tarifu. U varianty s tepelným čerpadlem byla zvolena sazba za elektřinu D56d.

Provozní náklady pro posuzovaný rodinný dům ukazuje tabulka 3. Na první pohled je zřejmé, že z hlediska nákladů na vytápění nastal u všech pěti variant výrazný pokles. Z pohledu přípravy TV je vidět, že, pokud je teplá voda připravována současně s využitím energie pro vytápění (TČ, Peleta 2 a Plyn 1), nastává další pokles nákladů na přípravu TV.

Na druhou stranu je u variant s využitím pelet nebo zemního plynu výrazný nárůst ceny na provoz ostatních elektrických spotřebičů (tab. 3 sloupec – Osvětlení). To je dáno vyšším tarifem za odběr elektrické energie. U variant s elektrickým ohřevem TV je kalkulováno se sazbou D25d (tj. cca 4,80,– Kč/kWh ve VT a cca 2,30,– Kč/kWh v NT – po dobu 8 hodin). U varianty s celoroční přípravou TV plynovým kotlem (Plyn 1) je uvažována sazba D02d (tj. cca 4,70,– Kč/kWh po dobu 24 hodin).

Pokud tedy porovnáme celkové provozní náklady (tab. 3), kdy zdrojem tepla je plynový kondenzační kotel, s celkovými náklady při provozu s elektrokotlem (tab. 1), můžeme říci, že výměnou zdroje tepla jsou dosažené roční úspory minimální. Ve variantách s peletovými kotli je roční úspora cca 12 000,– Kč/rok. Nejvýraznější pokles provozních nákladů je u varianty s TČ, a to jak na vytápění a přípravu TV, tak i na náklady spojené s ostatními elektrickými spotřebiči pro provoz domácnosti.

Celkové zhodnocení jednotlivých variant je ale vždy vhodné udělat pro porovnání s ohledem na životnost jednotlivých zařízení a také s ohledem na vývoj cen energií. Pokud se zaměříme na průběh růstu cen elektrické energie (obr. 3) a zemního plynu (obr. 4) je zřejmé, že došlo k výrazným změnám. Z hlediska cen elektřiny pro domácnosti lze konstatovat, že od roku 2002 až do roku 2012 došlo k průměrnému meziročnímu nárůstu ceny elektřiny cca o 6,5 %. U zemního plynu je tento nárůst ve stejném období dokonce cca 9 %.

Obr. 4 • Vývoj cen zemního plynu pro domácnosti od roku 1990 do roku 2012 (jedná se pouze o cenu za odebrané množství zemního plynu, v předpokládané roční spotřebě od 901 do 6000 m³) [zdroj: Ministerstvo financí ČR]

Pro náš konkrétní příklad budeme uvažovat průměrnou životnost nově instalovaných zdrojů tepla 15 let. Z pohledu vývoje cen energií bude do výpočtu uvažováno s průměrným meziročním růstem ceny elektrické energie 3,5 %, zemního plynu 5 % a pelet cca 2 %. Výsledné porovnání investičních a provozních nákladů můžeme vidět na obr. 5.

Z pohledu nejrychlejšího návratu investic by byly nejvýhodnější varianty plynového kondenzačního kotle. Jako nejméně vhodnou variantou z pohledu dosažených úspor se ukazuje varianta s plynovým kotlem s celoročním provozem pro přípravu TV. Celková dosažená úspora se u této varianty pohybuje cca kolem 140 000,– Kč. Příznivější varianta u plynového kondenzačního kotle je samostatný ohřev TV elektřinou, kdy je možné uplatnit nižší sazby za odběr elektřiny a celková úspora by byla 185 000,– Kč.

Jako daleko vhodnější varianty se ukázaly, z pohledu dosažených úspor, varianty s peletovými kotli. Dosažené úspory jsou u varianty s kombinovanou přípravou TV (v zimě peletovým kotlem, v létě elektřinou) až 310 000,– Kč s dobou návratnosti investic cca 6 let. Nejvýhodnější variantou je z tohoto pohledu tepelné čerpadlo, které díky výrazně nižší ceně za odběr elektřiny nabízí v 15letém horizontu úsporu cca 485 000,– Kč ve srovnání s elektrokotlem.

Závěr

Jak analýza ukázala, v celkové bilanci rodinného domu je nutné zohlednit nejen náklady na vytápění, ale i způsob přípravy TV a v neposlední řadě také náklady spojené s provozem ostatních elektrických spotřebičů. Nižší sazba za odběr elektrické energie v případě tepelného čerpadla je značnou výhodou oproti ostatním zdrojům tepla. Podobné je to i u variant s přímotopy a elektrickým ohřevem TV, kdy v sazbě D45d nižší cena za odebranou elektrickou energii dává v celkové bilanci rodinného domu podobné provozní náklady jako u variant s plynovým kotlem.

Při používání nejrůznějších softwarových kalkulaček a srovnávačů nákladů za energie je velmi důležité vědět, jakou váhu přikládají každému kritériu, protože výsledek může být částečně ovlivněn i zadáním sponzora srovnávače.

Literatura

1. VAVŘIČKA, R.: Otopné soustavy nízko­energetických a pasivních domů. In: II. Sympozium integrovaného navrhování a hodnocení budov 2011, s. 112–117. Praha 2011. ISBN 978-80-02-02345-6.
2. LYČKA, Z.: Reálné náklady na vytápění dřevními peletami. VVI, 2013, roč. 22, č. 1, s. 74–76. ISSN 1210-1389.
3. Přehled cen elektrické energie. 2013. [citace 2012-4-9]. Dostupné: http://www.tzb-info.cz/prehled-cen-elektricke-energie#d56
4. VAVŘIČKA, R.: Metody návrhu zásobníku teplé vody – 3. část. VVI, 2012, roč. 21, č. 5, s. 194–197. ISSN 1210-1389.

---

The energy needs for the family house

The author discusses the possibility of replacement of a heat source for heating and hot domestic hot water in a particular family house. The existing house heating and hot water is provided by electricity. The author presents variants of the energy systems without the use of solar energy.

Keywords: energy needs, energy consumption, energy sources, family house heating