Pasivní domek – projekt vytápění a zkušenosti z provozu po pěti letech
Autor popisuje konkrétní instalaci otopné soustavy a přípravy TV v rodinném domě, který svými tepelně-technickými vlastnostmi spadá do pasivního standardu. Při technickém řešení domu byl kladen maximální důraz na využití prostor celého domu, jednoduchost celé otopné soustavy a zároveň možnost využití obnovitelných zdrojů energie. Autor dále uvádí jednotlivé spotřeby energií při provozu celého domu.
Recenzent: Roman Vavřička
Úvod
Pasivní dům, to nemusí vždy znamenat jen složité technické řešení. Velmi závisí na technické invenci a schopnosti projektanta optimálně skloubit řadu i odlišných požadavků. Do vhodné koncepce může patřit i zdánlivě zastaralá beztlaká akumulační nádoba, která na druhé straně významně zjednodušuje požadavky na složitost schématu otopné soustavy. Pokud je stavební projekt vhodně koncipován, lze ji bez výrazné újmy na využitelné ploše domu velmi výhodně použít.
Pasivní domy stále nepatří mezi běžný typ výstavby a každá konkrétní zkušenost může napomoci těm, kteří se touto cestou chtějí vydat. Domek, kterého se tento případ týká, splňuje požadavky pro pasivní dům podle programu Zelená úsporám. Nicméně výpočty podle PHPP nebyly prováděny.
Domek, který jsem stavebně (kromě statiky) i topenářsky projektoval v roce 2006, má 160 m2 vytápěné plochy. Na obvodových stěnách z cihelných tvarovek tloušťky 250 mm je doplňující tepelná izolace tvořená 280 mm PPS, ve střešní konstrukci jsou 160 mm PUR panely na krokvích, doplněné 160 mm minerální vaty mezi krokvemi. Výplně stavebních otvorů tvoří pětikomorové plastové rámy s trojsklem. V podlaze na základové desce jsou instalovány 200 mm PPS. Základy domku mají svislou izolaci zvenčí o tloušťce 160 mm z PPS. Stropy jsou z plné monolitické betonové desky. Maximální část prosklení je situována k jihu. Ze severní strany je přistavěna garáž. Dům není podsklepen, má vlastní čističku odpadních vod a systém nuceného větrání s rekuperací tepla deskovým výměníkem. V době, kdy se na mne stavebník obrátil, již měl na hranici parcely zaveden plyn a chtěl normální úsporný domek. Po delších diskuzích a analýzách se rozhodl pro domek blížící se pasivnímu standardu.
Technické řešení
Po předběžných propočtech jsem se rozhodl upustit od plynu jako zdroje tepla. Když jsem spočítal, kolik by stál přívod, kotel a odvod spalin, vyšlo mi jako výhodnější, s ohledem na velmi nízkou výpočtovou tepelnou ztrátu domu 3,4 kW, navrhnout elektrické akumulační vytápění.
V trojúhelníkovém prostoru nad 2. NP, jehož střecha je izolována stejně jako celá střecha domu, jsem navrhl umístit atypickou beztlakou ležatou akumulační nádrž (AN) o rozměru 2 x 1 x 1 m, tedy o objemu 2 m3, která je vybavena třemi elektrickými topnými tyčemi, každá o výkonu 3 kW. Uvažuje se s cenově příznivější dodávkou elektrického proudu po dobu 8 hodin denně.
Kromě elektrických topných tyčí je na akumulační nádobu samotížně připojen vodní výměník krbových kamen na dřevo, která jsou umístěna v 1. NP v obývacím pokoji. Při samotížném připojení odpadá nutnost instalace bezpečnostní vychlazovací smyčky, pojistného ventilu, tlakové expanzní nádoby, čerpadla a dalších armatur, které by musely být umístěny v těsné blízkosti kamen. Na výstupním potrubí z teplovodního výměníku kamen do akumulační nádoby není uzávěr. Ten je pouze na zpátečce. Teplovodní výměník kamen na dřevo je napojen na AN tak, že odběr vody je cca 100 mm nade dnem nádoby a přívod cca 100 mm pod hladinou. Pokud by byla nutná oprava teplovodního výměníku v kamnech, případně výměna celých kamen, stačí uzavřít uzávěr na zpátečce a v AN se vypuštěním sníží hladina pouze o cca 100 mm pod úroveň napojení.
Tepelná izolace nádrže je provedena panely z PUR v celkové tloušťce 240 mm.
Akumulační nádrž zároveň tvoří expanzní nádobu. 5 cm pod vrchem nádrže je volná hladina otopné vody, která je přímo z AN čerpadlem rozváděna do otopných těles. Na rozvod jsou napojeny konvektory a na některých místech desková tělesa. Vzduchový prostor nad hladinou v AN je přepadovým potrubím s vodním sifonem napojen na atmosféru.
Akumulační nádoba je atypická. Je svařena z černého plechu tloušťky 4 mm. Proti boulení stěn je zevnitř vyztužena šikmými táhly. Shora má nádoba zatmelené víko, přes které je možné z ní vyjmout bojler pro přípravu teplé vody.
V akumulační nádobě je ponořen nerezový bojler pro přípravu teplé vody. Bojler je atypický, válcový, ležatý, o průměru 480 mm s objemem 190 l. Jedná se o jednoduchou tlakovou nádobu, bez jakékoliv vestavby, osazenou svým horním okrajem cca 50 mm pod hladinou vody v AN. Zespodu do ní přitéká studená pitná voda a shora se odebírá teplá voda. Ohřev pitné vody probíhá pouze prostupem tepla přes plášť. I při současném stavu, kdy dům obývá celkem 5 osob, nevznikly problémy s nedostatečnou přípravou teplé vody.
Otopnou soustavu doporučuji napustit upravenou vodou a předepisuji přidat inhibitor koroze INHICOR v množství dle návodu výrobce.
Odpověď na případnou otázku, směřující k případné korozi akumulační nádoby, mohu dát na základě praxe po dobu 40 let, během kterých jsem vyprojektoval cca 25 až 30 domků s tímto typem vytápěcího zařízení. Nejstarší domky jsou v provozu dodnes, tedy i více jak 35 let. Musím však upozornit, že všechny tyto nejstarší instalace mají rozvody z trubek z černé oceli.
Za celou dobu jsem se setkal s korozí nádoby pouze ve dvou případech. První případ (je stále v provozu, již cca 30 let) byl v domku, v jehož těsné blízkosti stála trafostanice a okolo domku vedly elektrické napájecí kabely. Zde se asi po deseti letech projevila důlková koroze, na kterou majitel domu přišel při provádění kontroly stavu nádrže. Stěny byly v několika místech korozně napadeny a hloubka důlků byla do 2 mm. Nedošlo k úplnému prorezavění plechu.
Po vzájemné konzultaci byla provedena změna v tom, že jsem nechal odstranit původní elektrické topné tyče, které byly přímo ponořené ve vodě, a nahradily je keramické topné elektrické vložky zasunuté v zaslepené trubce. Opatřením se významně potlačil výskyt možných svodových elektrických proudů, které byly příčinou koroze. Toto řešení elektrického ohřevu vody mj. prokázalo svou dlouhodobou životnost například v bojlerech z Družstevních závodů Dražice. Po výměně je nádrž až dodnes v provozu.
V druhém případě došlo k prorezavění stěny nádrže důlkovou korozí po cca 12 letech provozu. V tomto případě se vlivem nedodržení projektu sešlo několik chyb. Na přepadu nádrže, který propojuje vzduchový prostor nad hladinou s venkovní atmosférou, nebyl udělán předepsaný zavodněný sifon oddělující obě prostředí. Přepad byl napojen přímo do stoupačky kanalizace. Korozně velmi aktivní výpary z kanalizace tak měly přímý přístup do nádrže. Navíc byly pro rozvod použity trubky z mědi místo z oceli. I zde sice byly použity elektrické topné tyče přímo ponořené do vody, ale na základě zkušeností mohu říci, že hlavní příčinou korozního poškození nádrže byly instalační chyby a záměna materiálu bez odpovídajících protikorozních opatření.
Z fyzikálního hlediska je výhodnější nádoba stojatá, protože umožňuje větší teplotní rozvrstvení vody. Nevýhodou těchto nádob je to, že zabírají užitnou plochu a vzhledem k jejich potřebné výšce mohou zasahovat i do dvou podlaží. Vlastní nádrž s izolací vyžaduje minimálně 2 m2 podlahové plochy a stejná plocha je přibližně zapotřebí na armatury, čerpadla a přístup k zařízení. Podíváme-li se na to tak, že 1 m2 užitné plochy se investičně může pohybovat okolo 20 000 Kč, pak vybudování prostoru pro zařízení představuje náklad minimálně 80 000 Kč. Umístění nádoby ve spodních podlažích většinou vyžaduje osadit do horní části nádoby výměník, protože otopná tělesa jsou často umístěna výše než hladina vody v AN. Také výhodné samotížné napojení teplovodního výměníku kamen je v takovém případě často technicky nemožné. I to byl důvod, proč jsem akumulační nádobu umístil do nejvyšší, nevyužité části domku a z dispozic prostoru vyšel její ležatý tvar.
Na dně nádrže je volně položen topný had z nerezových flexibilních hadic, do kterého je napojen solární systém. Zdrojem tepla jsou 4 ploché kolektory po 2 m2 absorbční plochy. Solární kolektory investor z finančních důvodů instaloval až po 2 letech od nastěhování.
Větrání domu je řešeno jako nucené s rekuperací tepla, bez přihřívání. Čerstvý vzduch je pro zmírnění tepelných nároků přiváděn přes zemní výměník o délce cca 18 m a průměru 160 mm.
Zkušenosti z provozu
V domku bydlí celkem 5 osob (rodiče a 3 děti). Při nastěhování do domu si majitel nachystal zásobu tvrdého dřeva. Dřevo je kvalitní a před použitím je minimálně 2 roky volně sušeno pod přístřeškem. Majitel si vede vcelku přesnou evidenci spáleného dřeva. Během každé z posledních dvou topných sezon spálil 3 ložené plnometry štípaného dřeva. Toto množství dřeva, společně se solárními kolektory, mu zajistilo prakticky kompletní celoroční potřebu tepla pro přípravu TV a vytápění. V praxi to vypadá tak, že od té doby, co namontoval solární kolektory, elektrické topné vložky nepoužívá vůbec.
Otopnou sezonu začíná v říjnu, když teplota v domě klesne na 21 °C a končí v březnu. Spotřeba dřeva činí za měsíce říjen až prosinec 1 plnometr, za leden 1 plnometr a za únor a březen rovněž 1 plnometr. Dřevo majitel nakoupil v kmenech za cenu cca 500 Kč/m3 i s dovozem. To představuje cenu 1500 Kč/sezonu + vlastní práci za zpracování dřeva. Cena sypaného plnometru tvrdého dřeva se v místě pohybuje kolem 800 Kč/plm. Při odhadnuté spotřebě 4 sypaných plnometrů by se cena pohybovala okolo 3,5 až 4 tis. Kč i s dovozem.
V projektu jsem měl zahrnuto přívodní potrubí spalovacího vzduchu ke kamnům pod podlahou přízemí. Toto nebylo realizováno. Při topení v kamnech proto majitel mírně zvyšuje otáčky přívodního ventilátoru větrací a rekuperační jednotky oproti otáčkám odvodního ventilátoru, aby zajistil v místnosti s kamny mírný přetlak a spolehlivý odvod spalin z kamen komínem.
Za rok domek spotřebuje okolo 2250 kWh elektrické energie ve vysokém tarifu a 1120 kWh v nízkém tarifu. Toto množství je spotřebováno jen pro provoz domácnosti včetně větrání a domovní čističky, která má příkon 80 W. Pračku a myčku nádobí majitel provozuje v době nízkého tarifu. Pro odběr elektřiny používá sazbu D25D. Roční platba za veškerou spotřebu elektřiny činila v roce 2012 cca 15 000 Kč.
Za rok rodina spotřebuje celkem cca 125 m3 pitné vody, tj. 25 m3/os·rok (68,5 l/os·den). V této spotřebě není zahrnuta zálivka zahrady, protože ta se provádí vyčištěnou vodou z čističky, která je před vsakem zadržována v akumulační nádrži.
Větrání domu běží na maximální výkon s výpočtovým množstvím větracího vzduchu 150 m3/h pouze v době vaření, případně koupání dětí. V ostatní době je výkon snížen na méně než 50 %. Při extrémním mrazu –20 °C a provozu větrání na cca 50 % maximálního výkonu jsem během pravidelného provozu naměřil teplotu vzduchu 0 °C na konci zemního kolektoru na jeho vyústění v domě a z deskového rekuperátoru vycházel vzduch s teplotou +18 °C. Zajímavostí je i to, že majitel jímáním do kyblíku měří množství kondenzátu z deskového rekuperátoru. Za celou zimu činí toto množství přibližně 20 litrů. Vzduchové filtry mění cca 3 až 4krát za rok.
Solární zařízení bylo v provozu cca 1320 hodin za rok 2011. V nejteplejším letním období dosáhla teplota vody v akumulační nádrži 85 °C. Pro zajímavost – v roce 2012 za měsíc leden a únor dohromady bylo solární zařízení v provozu cca 120 hodin a letos za stejné oba měsíce pouze 18 hodin.
Na příjemném vnitřním klimatu bez teplotních výkyvů se podílí i vysoká akumulační schopnost masivních betonových stropů.
Pro zajištění dostatečného množství dřeva v budoucnosti si majitel těsně vedle vsakovacího pole od své čističky odpadních vod vysázel pole rychlerostoucích topolů. Na jejich růstu se zcela evidentně velmi příznivě projevuje zavlažování vyčištěnou vodou z čističky, protože po šesti letech od vysazení měly topoly průměr kmenů cca 12 cm a největší 15 cm. Za poslední rok se průměr kmene zvětšil o 4 cm. Vzhledem k hustotě výsadby ve sponu 2 x 0,6 m je vidět významný rozdíl v průměrech kmenů mezi krajní a vnitřní řadou stromů. Oproti předpokladu intenzivního sklízení dřeva pro vytápění, však topoly využívá zatím jen k produkci řízků na další výsadbu, neboť dosud nespálil původní zásobu dřeva.
Závěr
V případě popisovaného konkrétního domu lze shrnout, že roční náklad na vytápění, přípravu teplé vody, větrání a veškerou elektřinu činil v roce 2012 cca 19 000 Kč pro pětičlennou rodinu a navíc odpadá platba za stočné, protože dům má vlastní čističku.
Pro řešení nákladově příznivého bydlení v rodinném domku s nízkou spotřebou energií lze kombinovat nejmodernější techniku a přírodní principy, které se osvědčily již našim předchůdcům. Předností je jednoduchost na straně zdroje tepla ve spojení s možností využití moderních programovatelných regulací i dálkově ovládaných přes internet na straně řízení spotřeby tepla.
Passive house – design of heating system and experience after five years operation
The author describes real passive house. He shows the heating system concept and explains the reasons for the chose technical solution. The most important part is central heat storage tank. The system solution is simple with regard to durability. The actual energy consumption is low.
Keywords: passive house, energy storage, energy storage