Ekonomika úsporných opatření při vytápění

Úvod

Existuje mnoho cest a technických řešení, která ovlivňují spotřebu tepla. Hlavní motivací je prakticky vždy snaha o snižování nákladů na provoz obytných, pobytových a pracovních prostor budov. Přístup k řešení bývá různý, a proto si tento příspěvek neklade za cíl, postihnout všechny dostupné a relevantní metody a realizace.

Investoři a provozovatelé si vždy kladou otázku, jak na úspory. Bohužel, ve většině pro ně nepřehledných nabídek technických řešení bývá mnoho zkreslujících informací, které jsou někdy i zavádějící.

Za nedostatečné, a často chybné, považuji takové návrhy a doporučení, která neporovnávají alespoň několik možných řešení jak z technického, tak ekonomického hlediska. Někdy může být i jediné navržené řešení úsporné. Jenže bez porovnání s jinými řešeními lze jen těžko ospravedlnit výrok, že právě to jedno řešení bylo nejlepší technicky i ekonomicky.

Typickým příkladem z praxe je porovnání efektivnosti řešení u konkrétního investora, který se rozhodoval, zda má zateplit, postavit novou plynovou kotelnu či lépe využít dodávky tepla z dálkového zdroje – přípojky místní teplárny. Jako první řešení bylo přijato komplexní zateplení objektu (okna, fasáda). Nebyly však zváženy všechny souvislosti provázanosti zateplení a vliv na otopnou soustavu. Po zateplení nastaly problémy ve vytápění z hlediska hlučnosti a přetápění místností.

Nejdříve obecně k úsporám.

Princip úspor

Mezi nepřebernými nápady, jak uspořit náklady na tepelnou energii, existuje pouze jedna a jediná principiální podstata, která spočívá ve snížení tepelných ztrát vytápěných místností a jejich omezení v rozvodech. To se projeví snížením nákladů na placenou tepelnou energii či obecně palivo.

Existuje však jen pár prostředků jak toho docílit:

1. uvědomělým počínáním uživatelů

1a. instalací termostatických hlavic, které nejsou ovlivňovány parapety, zákryty, záclonami, ap. Rozhodujícím prvkem není termostatický ventil, či indikátor na rozdělování nákladů za teplo, ale termostatická hlavice nastavená uživatelem;

1b. trvalým udržováním teploty vzduchu ve vytápěné místnosti podle pravidel vytápění. Je-li správně nastavena hlavice, neumožňuje zvyšování teploty vzduchu v místnosti, a tím nepřipustí zvýšený odběr tepla, tj. zvyšování tepelných ztrát nad míru podle klimatických podmínek;

1c. krátkým a účinným větráním, tedy bez trvale otevřené mikroventilace, ap., jinak se výrazně zvyšují tepelné ztráty větráním;

1d. maximálním využitím tepelných zisků, tj. neotevírat hlavici do maxima, nechat trvale na teplotě podle pravidel vytápění, což umožní ušetřit teplo z tělesa.

2. investicemi a kvalitou provozu

2a. zvýšením tepelných odporů ochlazovaných konstrukcí vytápěných místností (dodatková tepelná izolace stěn, lepší okna? investice);

2b. zvýšením účinnosti výroby tepla a distribuce ke spotřebiteli energie (účinnější kotle – například kondenzační, pohony s malou spotřebou elektrické energie, zlepšené tepelné izolace potrubních rozvodů, seřízení otopných soustav a instalace vyššího stupně regulace s dynamickým řízením parametrů otopné vody v průběhu celé otopné sezony – jak na tělesech, tak na patách budov a větvích či zónách).

Co nelze považovat za úspory?

Za úspory nelze v žádném případě považovat snížení spotřeby tepla vlivem snížení teplot vzduchu přetápěných místností (například při přetápění z 26 °C na optimálních 21 °C podle pravidel vytápění). V takovém případě se nejedná o úsporu tepla, ale o nápravu škod, způsobených nadspotřebou tepla v souvislosti s předchozím přetápěním.

Za úspory nelze považovat snížení teploty vzduchu pod hodnotu podle pravidel vytápění, například na 17 °C namísto 21 °C. Ale za úsporu nelze považovat ani „nulové“ či nadměrné větrání. Takto snížená spotřeba není úsporou, jelikož se v jejím důsledku vytvářejí škodlivé podmínky s možnými následky na zdraví člověka a na teplotní a hydraulickou nestabilitu otopné soustavy. Způsobí se škody, které se sice mohou příznivě projevit na účtu za teplo, ale velmi nepříznivě na účtu v boji s plísněmi, za léčení astmatu, atp.

Ad absurdum můžeme konstatovat, že by se dalo uspořit 100 % tepelné energie, pokud zcela odstavíme otopnou soustavu z provozu.

K dosažení úspor, které neporušují pravidla vytápění, existuje více technických řešení. Každé řešení má své náklady, a proto je třeba vždy zvažovat úsporná opatření na základě odpovědi na otázku: „Kolik investuji, abych uspořil jednotku energie?“ Vhodným a rychlým ukazatelem může být také vyjádření nákladů, které potřebujeme na dosažené 1 % úspor energie, i když ukazatel nenahrazuje plnohodnotný položkový rozbor.

Konkrétní příklad řešení otopné soustavy a zdroje tepla

Výbor společenství vlastníků BJ v objektu ve svých prvotních úvahách vyšel z toho, že omezí dodávky tepla v přetápěném domě pomocí regulace na patě domu, pak dům zateplí dodatečnou tepelnou izolací a vymění okna, osadí tělesa termostatickými ventily (TRV) s termostatickými hlavicemi (TH) a indikátory.

Vývoj dopadů opatření na úspory tepla lze dokumentovat grafem spotřeby tepla, lépe řečeno grafem roční měrné spotřeby tepla q_r, který dokumentujeúroveň úspor nejen z hlediska spotřebovaného tepla, ale i s ohledem na intenzitu zimy, jelikož se spotřeba přepočítává na jednotku v GJ/D° („gigadžaul“ na denostupeň – lze i v ekvivalentních jednotkách například kWh/D₂₁) a v této jednotce jsou zahrnuty i existující tepelné zisky.

Obr. 1 • Graf roční měrné spotřeby tepla qr

Jak ukazuje červená křivka v grafu, omezením příkonu na patě domu zateplením a osazením otopné soustavy TRV + TH, došlo oproti počátečnímu stavu v roce 2005 ke snížení spotřeby tepla o cca 47 až 49 %. Graf je v proporcionální formě, relativizuje trend spotřeby, jehož počátek v roce 2005 byl označen jako 100 % » "1,00". Ke druhé modré křivce bude zmínka v závěru článku.

I přes velmi příznivý výsledek ve snížení spotřeby tepla zateplením se ukázalo, že otopná soustava nepracuje kvalitně. Projevy nespokojenosti poukazovaly na přetápění, občas až na nesnesitelný hlučný provoz (hučení, klepání, ťukání, ap.) a zejména zesílené projevy hluku při přechodu na noční útlum a zpět.

Nevyhovující stav nebyl úspěšně řešen ze strany dodavatele tepla. Proto nespokojený odběratel zadal vypracování projektu na odpojení se od dodavatele tepla a zřízení vlastní kotelny s novou přípojkou zemního plynu. Když byl projekt hotov, bylo výboru nabídnuto vypracování komplexní analýzy stavu a funkce otopné soustavy a navržení optimalizace na základě sofistikované analýzy, tj. postupu, který zohlední současně všechny vlivy na spotřeby a kvalitu funkcí soustavy. Analýza se zabývala nejen vývojem spotřeby tepla, ale i kvalitou nastavení všech seřizovacích armatur a také informovaností uživatelů, jak mají používat termostatické ventily. Analýza zhodnotila i nové vlastnosti zatepleného domu a na základě přepočtu otopné soustavy (na stav po zateplení) bylo navrženo nové seřízení termostatických ventilů a ostatních seřizovacích armatur.

Hlavním přínosem analýzy provozu z let 2009 až 2010 bylo nalezení (výpočet) nových a fyzikálně správných parametrů otopné vody, tj. zcela nové otopové křivky a průtoků soustavou.

Klíčovým problémem nápravy bylo, že dodavatel tepla nemohl přistoupit na úpravy parametrů otopné vody na požadované, jelikož souběžně zásobuje také jiné objekty s nižším stupněm zateplení. Dodávané parametry byly pro posuzovaný objekt vyšší, než jsou optimální. Po přepočtu se ukázalo, že není možné ponechat stávající seřízení armatur, zejména TRV.

Protože nebylo možné od dodavatele tepla dosáhnout změn parametrů ani místními technickými prostředky na patě předmětného domu, byla na principu sofistikované optimalizace otopné soustavy navržena úprava technického řešení na patě domu, která zajistí správné fyzikální parametry pro potřeby objektu.

Základním principem řešení je návrh nových otopových křivek, průtoků a zejména pak uplatnění nadstandardního měření a regulace (MaR), které využívá jako základ tzv. ekvitermní regulaci. Ta je navíc korigována informacemi ze snímačů tlaků, teplot a průtoků otopnou soustavou po celou topnou sezonu. Dalšími nadstandardními prvky jsou teplotní snímače na teplejší (osluněné) a chladnější (opačné) straně budovy, což umožňuje, vzhledem k zásadně rozdílným tepelným ziskům na obou stranách budovy, korigovat parametry vytápění, tedy snižovat spotřebu tepla z otopné soustavy. Takto pojaté MaR má mnoho dalších funkcí, nejen statistiku o parametrech, také hlášení poruch, dálkovou správu a korekci parametrů, atd.

Nutno poznamenat, že takto vybavená MaR není obsažena v žádném běžně dostupném systému pro kotelny, výměníky, ap., respektive jsem se s její obdobou nikde nesetkal. Hlavním rozdílem je kvalitativně vyšší stupeň řízení příkonů tepla, které je přímo navázáno na měřené parametry s příslušnými řídicími zpětnými vazbami. Otopové křivky se nezadávají, ale podle aktuálních parametrů si je algoritmy softwaru vytvářejí automaticky. Proto lze takto poměrně přesně udržovat kvazi konstantní měrnou spotřebu tepla bez ohledu na intenzitu zimy, což u pouze ekvitermní regulace není možné ani teoreticky.

Porovnání efektivnosti posuzo- vaných technických řešení

Výbor v objektu se, po projednání s obyvateli domu, rozhodl, že pro odstranění problémů s vytápěním po zateplení půjde cestou optimalizace otopné soustavy s použitím technologie předávací stanice na základě sofistikované optimalizace otopné soustavy (SOOS), princi­piálně založené na směšování otopné vody.

Rozhodnutí vycházelo z nákladovosti investic a předpokládaných přínosů, které byly předpovídány ve výši cca 15 %. Tabulka dokumentuje hodnoty získané po zateplení a po ročním užívání technologie SOOS v roce 2011.

Podle projektu kotelny se předpokládalo, že budou použity kondenzační kotle, a dosáhne se průměrná roční úspora paliva 5 %. Nová kotelna bez kondenzačních kotlů a optimalizace celé otopné soustavy nepřináší úspory. Projekt kotelny, včetně MaR, jiné přínosy ani neuváděl a nijak nepopisoval, jak by se vyšších úspor docílilo.

Nyní použiji pro tuto akci rychlý ukazatel investičních nákladů ve vztahu k výši přínosů v %, tj. náklady v tis. Kč/1 % úspor. Výsledky se dají vyčíslit podílem nákladů na realizaci k výši úspor.

Nejsou zde zahrnuty náklady na provozování, údržbu a servis či revize a náklady na palivo, což by bylo rozhodně v neprospěch vlastní plynové kotelny. Zateplení nepotřebuje údržbu a směšovací zařízení potřebuje mizivé náklady.

Investičně plynová kotelna ve vztahu k jednomu ušetřenému procentu tepla vychází dražší oproti SOOS v poměru 22,00/1,51 » 14,5krát.

Dalším nevyužívaným kritériem je skutečnost, že ve výpočtech užitné ceny tepla v palivu není zohledňována úroveň v místě spotřeby, tj. není brán ohled na účinnost využití nakoupeného tepla v palivu. Toto zkreslení způsobuje rozdílná účinnost přeměny nakoupené energie v palivu na užitnou energii, kterou potřebujeme pro vytápění objektu. Sice se účinnost zohledňuje při výpočtu potřeby paliva za rok, ale již se nepočítá, jaká je skutečná cena užitého výsledného tepla.

Vyjdeme z fyzikálního přepočtu, pak 1 GJ » 278 kWh. Pro ilustraci úvahy využijeme jednu konkrétní nabídku dodavatele zemního plynu, který uvedl výslednou cenu (vč. všech poplatků zahrnutých v ceně) ve výši 1,67 Kč/kWh, což odpovídá 464,26 Kč/GJ. Při směrné roční účinnosti kotlů ve výši 0,85 (podle věstníku ERÚ/2011) je pak cena za užitné teplo 464,26/0,85 = 546,20 Kč/GJ!

Z tohoto vyplývá, že nás využitá tepelná energie nestojí tolik, kolik počítáme na prahu kotelny (plynoměru). Protože ztrácíme teplo při přeměně dodané energie na užitnou, tedy na tu energii, kterou skutečně využijeme, a ta je tedy adekvátně dražší.

Uvedený výpočet je ilustrativní, ale pro konkrétní situace si jej může každý snadno vypočítat. A pokud je cena užitého tepla z plynu oněch 546,26 Kč/GJ, pak je třeba uvažovat, zda se přechod na plynovou kotelnu vyplatí. Navíc když jsou investice a provozní náklady na plynovou kotelnu vyšší, než technická úprava na patě domu při dodávce z cizího zdroje, třeba CZT. Dalším zkreslením ceny skutečně využitého tepla podléháme tehdy, když si neumíme sjednat správný odběrový diagram. To se stane vždy, když si sjednáme značně větší množství tepla na příslušný rok, než ve skutečnosti odebereme. Viz například článek „Rozbor plateb za teplo pro vytápění“v časopise Topenářství instalace v č. 6/2014.

Při technickém řešení si musíme uvědomit řadu souvislostí. Kdyby byl předpoklad potenciálu úspor v předchozím popisu realizované SOOS například jen 10 %, potom by byl i výsledek porovnání efektivnosti odlišný. Pro zateplení a bilanci s plynovou kotelnou by se nic nezměnilo, ale pro technologii SOOS by výhodnost poklesla. Náklady by se zvýšily z 1510 Kč/1 % na hodnotu cca 3290 Kč/1 %. Potom by se poměr mezi kotelnou a SOOS snížil na poměr cca 6,7krát namísto předchozích 14,5krát. Přesto by šlo o efektivnější řešení.

Obr. 2 • Graf podílu nákladů na realizaci k výši úspor v [%]

Zdánlivé a relativistické posuzování

Statistika je ošemetná metoda, pokud se nejasně hovoří o úsporách jen údaji v procentech. Na úvodním grafu „proporcionální změny roční měrné spotřeby tepla“ to potvrzuje modrá křivka (vpravo).

Porovnávání je ovlivněno velikostí výchozí hodnoty spotřeby, která je v našem příkladě pro zvolený rok 2005 vyjádřena jako 100 %. Červená křivka (vlevo) tedy charakterizuje průběh ročních měrných spotřeb s počáteční základnou v roce 2005 do konce roku 2014. V roce 2010 se naměřená spotřeba dostala na úroveň 53,5 % roku 2005. Z této úrovně provozem SOOS klesla naměřená spotřeba ke konci roku 2011 z úrovně 53,5 % na úroveň cca 41,0 %, tedy úspory se zvýšily o dalších cca 12,5 %.

Pokud je však jako výchozí základna zvolen rok 2010 (100 % – modrá křivka vpravo), pak po uplatnění technologie SOOS došlo v roce 2011 k poklesu spotřeby na hodnotu 77 % (v grafu hodnota 0,77). To znamená, že technologií SOOS se ušetřilo 23 %. Pokud bychom chtěli zákazníka „nalákat“, tak mu samozřejmě předložíme tuto optimističtější hodnotu. Prostě 23 % je lepší číslo než 12,5 %. Nebudeme lhát, pouze využijeme jinou výchozí hodnotu.

Exaktní lidé, pracující s čísly, znají moc dobře význam počáteční hodnoty, ke které jsou procenta úspor vztahována. Povšimněte si, jak v nejrůznějších obchodních nabídkách, ale i materiálech používaných na nejvyšších úrovních, bývá často počáteční srovnávací základna nepřesně popsána, chybí například vyjádření hodnoty toho (energie, ap.), co nám přináší skutečný užitek. Dobrým příkladem je malý, svatební koláček s průměrem asi 5 cm, o který se podělí 5 osob. Zcela jiný pocit nasycení bude každý z nich mít, pokud se rozdělí o dobrý „frgál“ s průměrem asi 30 cm. V obou případech každý sní stejných 20 %.

Při využití tepla máme tak trochu smůlu » technická danost, která je obsažena v pojmu účinnost. Účinnost lze vyjádřit vztahem h = (Q_u užité teplo / Q_nspotřebované teplo). U stejného druhu paliva lze množství tepla vyjádřit množstvím paliva. Užitné teplo je to, které obdržíme na výstupu z kotelny a spotřebujeme ho v objektu. Spotřebované teplo je to, které jsme nakoupili a využili k výrobě užitého tepla. Obě tepla lze vyjádřit také množstvím paliva, které odpovídá jak užitému, tak nakoupenému množství tepla.

Potom lze účinnost kotelny vyjádřit vzorcem h = (S_u užitá část paliva / S_nnakoupená část paliva). Po zjednodušení indexů lze zapsat rovnice S_n = S_u / h. Pokud budeme mít celoroční účinnost kotlů h = 0,85 a spotřebu užitého paliva ve výši S_u = 8,5 m³, potom musíme nakoupit množství paliva S_n = 8,5/0,85 = 10 m³. I když potřebujeme pro hrazení tepelných ztrát 8,5 m³ plynu, musíme nakoupit celkem 10 m³. Rozdíl 1,5 m³ plynu ztrácíme vlivem účinnosti (kotle spalující paliva mají například komínovou ztrátu, která skutečně vyletí komínem a další nepatrná část zůstane v kotelně vlivem sálání a konvekce z povrchu kotlů a zařízení, což se odvede mimo užitnou zónu větráním).

U tepla z vnější rozvodné sítě to bývá výhodnější, tam je bilance při účinnosti h = 0,95 – 0,98 příznivější, pokud potřebujeme pro hrazení ztrát 95 až 98 GJ, potom musíme nakoupit množství ve výši
S_n = (95 – 98) / (0,95 – 0,98) = 100 GJ.

Obdobně to platí i při ohřevu vody. Kdybychom vzali za výchozí hodnotu měrnou spotřebu tepla na ohřev 1 m³ vody 0,3 GJ·m^–3 při ceně tepla 550 Kč·GJ^–1 placené dodavateli tepla, potom 1 m³ teplé vody stojí 165 Kč·m^–3 bez vodného a stočného. Příprava teplé vody, podobně jako vytápění, také neprobíhá beze ztrát. Můžeme ilustrativně počítat s tím, že ve skutečně využité teplé vodě spotřebujeme 60 % vloženého tepla a zbytek 40 % tepla se ztrácí v cirkulaci, atd. Potom je cena užité teplé vody 165/0,6 = 266,7 Kč·m^–3 a s touto hodnotou bychom měli vstupovat do kalkulací. Po započítání vodného a stočného se dostaneme na cenu kolem 350 Kč·m^–3 a možná i více, podle konkrétního dodavatele.

Závěr

Doporučuji vykazovat úspory vždy tak, aby byla zcela jasná výchozí hodnota a veškeré náklady a ceny by měly být přepočteny na množství skutečně využité energie v místě spotřeby a ne na hraně plynoměru, či kalorimetru na patě dodávky v domě.

---

Economy of saving measures in heating

There are many ways and technical solutions, which affect the consumption of heat. The main motivation is almost always an effort to reduce the cost of heating residential and work buildings. It is always necessary to compare more solutions under the same initial conditions during the same comparative basis.