Podlahové vytápění – studie vlivu tlouštěk překrytí na spotřebu energií

Podíl instalovaného výkonu podlahového vytápění na součtu všech instalovaných otopných ploch v novostavbách roste.

Recenzent: Ing. Roman Vavřička, Ph.D.,

K tomu je nutné každoročně připočíst i podíl podlahového vytápění instalovaného při modernizacích stávajících objektů. Není výjimkou, že se v souvislosti se zvyšováním tepelně-technických vlastností obálky objektů přechází ze soustav s otopnými tělesy na podlahové vytápění.

Klasický systém výstavby podlahového vytápění je založen na použití cementové mazaniny, zálivky. Její tloušťka, respektive tzv. překrytí, které udává tloušťku mazaniny nad položenými trubkami, závisí na vlastnostech mazaniny. V České republice je zřejmě nejběžněji používaná doporučená tloušťka překrytí 55 mm pro cementovou mazaninu s plastifikátorem. Překrytí však může být i menší, pokud se použije kvalitnější mazanina. Například pro cementovou mazaninu CT třídy pevnosti v tahu při ohybu F4 podle DIN 18560-2 se doporučuje 45 mm. Výrobci podlahového vytápění ve spolupráci s výrobci zálivek vyvinuli systémy, kterým stačí extrémně nízké překrytí pouhých 8 mm.

Množství cementové mazaniny (zálivky) má zásadní vliv na velikost tepelné setrvačnosti podlahového vytápění. Tepelnou setrvačnost podlahového vytápění lze považovat za rušivý vliv na snižování spotřeby tepla, neboť omezuje rychlost reakce na straně nabídky tepla podlahovou otopnou plochou a poptávkou, kterou tvoří pokles, případně naopak růst operativní teploty v dané místnosti mimo požadovanou hodnotu.

Článek je zaměřen na poukázání odlišností mezi systémem podlahového vytápění s překrytím 45 mm a systémem podlahového vytápění s překrytím 8 mm při nestacionárním přerušovaném provozu.

Podmínky studie a metodika

Základem studie je reprezentativní rodinný dům, který je používán na Technické univerzitě v Drážďanech pro četné energetické výzkumy a jejich vyhodnocení [1]. Obrázek 1 ukazuje základní parametry a rozdělení domu do zón. Vytápěná plocha domu je 160 m². Posouzeny byly různé varianty v závislosti na odlišných tepelně-technických vlastnostech stavební konstrukce domu, daných starším předpisem WSVO z roku 1982 [2], dále mladším a zpřísněným předpisem WSVO 1995 [3], i zatím nejaktuálnějším předpisem EnEV 2004. Zdrojem tepla bylo tepelné čerpadlo vzduch-voda v kombinaci s akumulačním vyrovnávacím zásobníkem. Pro předávání tepla do místností byly modelovány systémy specifikované v tabulce 1. Jedná se o klasický mokrý systém podlahového vytápění podle DIN EN 1264 [5] (System A) a systém, který se vyznačuje extrémně nízkou tloušťkou překrytí.

Tab. 1 Technické detaily porovnávaných systémů podlahového vytápění¹⁾

V závislosti na konstrukčních vlastnostech systémů byly pro projekci systémů použity náběhové teploty uvedené v tabulce 2. Jedná se o maximální náběhové teploty vycházející z normativních podmínek. Pro stanovení jejich dynamického průběhu byla použita topná křivka daná rovnicí:

Pro vnitřní podmínky byly využity typické uživatelské profily, které jsou detailně popsány v [1]. Vyhodnocení numerické analýzy bylo provedeno s ohledem na tepelně fyziologické vazby. Energetická kritéria byla rozdělena na potřebu tepla, přenos tepla otopnou plochu, tepelné zisky (ztráty) potrubních rozvodů a výrobu tepla (obrázek 2). Jako indikátor tepelně fyziologických vazeb byla zvolena operativní teplota v místnosti. Vedle analýzy dynamických procesů byl také analyzován průběh četností operativních teplot, který je kritériem pro splnění úlohy vytápění. Principiální průběh rozdělení těchto četností je zachycen na obr. 3.

Dále byly také stanoveny tři různé scénáře pro posouzení různých provozních poměrů:

• 1. Scénář: Nepřerušovaný provoz vytápění na konstantní operativní teplotu.
• 2. Scénář: Přerušovaný provoz. Konstantní doba vytápění od 7:00 do 23:00 hodin. Útlum započal ve 23:00 hodin a ­zahájení zátopu bylo pevně nastaveno na dobu od 5:00 hodin.
• 3. Scénář: Přerušovaný provoz, individuální doby vytápění. Zátop byl nastaven tak, aby v 7:00 hodin byla dosažena požadovaná operativní teplota v místnostech²⁾.

Vedle tří základních scénářů byly separátně sledovány různé varianty na základě 3. scénáře. Jejich podmínky a výsledky jsou v tomto článku označeny jako scénář 3b.

K modelování podmínek a zjištění výsledků byl použit programovací systém TRNSYS-TUD doplněný na Technické univerzitě Drážďany.

Výsledky

V tabulce 3 jsou uvedeny nejdůležitější energetické charakteristiky tepelně-technického stavu domu podle WSVOB82 pro jednu topnou sezónu^{3), 4)}.

Z údajů v tabulce 3 lze vidět zřejmé energetické rozdíly mezi porovnávanými systémy. Při výpočtové potřebě tepla v místnostech leží rozdíl DQ_Raummezi +1,3 % až +2,5%. Přepočteno na spotřebu elektrické energie zdrojem tepla (tepelné čerpadlo) to představuje rozdíl až DW_F = 8,3 %.

Tabulka 4 ukazuje přehled energetických údajů domu podle EnEV04 [4].

Pro tento dům s menší spotřebou energie jsou v tabulce 4 vidět menší rozdíly mezi oběma systémy, než v případě tabulky 3 domu s větší spotřebou energie. Rozdíly se pohybují okolo 1,2 až 1,9 %. Přepočteno na spotřebu elektrické energie zdroje tepla, která je menší než u domu podle WSVO82, jde o rozdíl maximálně DW_F = 5,0 %.

Jako doplněk k energetickým údajům v tabulkách jsou v obrázcích 4 a 5 uvedeny sumarizované četnosti výskytu operativních teplot pro reprezentativní zónu domu podle WSVO82 a EnEV04. Na průběhu součtu četností výskytu operativních teplot u domu podle WSVO82 je vidět částečné podkročení žádaných hodnot. Systém s nízkým překrytím zde principiálně ukazuje velmi malou odchylku od požadované operativní teploty ve srovnání s klasickým systémem. Ovšem v případě úspornějšího domu pod EnEV04 jsou rozdíly mnohem menší, a to znamená, že dům má vysokou tepelnou stabilitu a vliv technických systémů na úsporu bude menší.

Tabulka 5 ukazuje energetické parametry pro scénář 3b, ve kterém má každá místnost svůj provozní časový profil vytápění.

Hodnoty v tabulce ukazují, že při vysoké dynamice provozních změn jsou energetické změny, které vznikají na straně místností, malé. Ve srovnání s klasickým systémem princi­piálně umožňuje systém s nízkým překrytím drobné energetické úspory. V přepočtu na spotřebu elektrické energie se jedná o rozdíl mezi systémy ve výši až DW_F = 4,8 % až 9,5 %.

Je zajímavé srovnat průběhy operativních teplot podle zvolených žádaných teplot, které jsou ukázány na obr. 6 až 9.

V domě s horšími tepelně-technickými parametry WSVO82 se vyskytují teplotní amplitudy, které leží v rozsahu okolo DJ  = 1,5 K okolo žádané hodnoty operativní teploty (obr. 6). Systém s nízkým překrytím může sledovat průběh žádaných teplot mnohem lépe, a tedy způsobovat menší přehřátí místností. Z těchto dynamických vlastností se odvozují rozdílné časy potřebné na dohřátí místnosti po útlumu, které jsou zobrazeny na obrázku 7. Zejména po celonočním provozu s nižší teplotou se musí u klasického systému počítat s výrazně delší dobou předstihu pro opětovné nahřátí místnosti.

V případě domu podle EnEV04 s nižší potřebou tepla se ­vyskytují viditelně nižší teplotní amplitudy okolo žádané hodnoty v rozsahu DJ  = 0,5 K (obr. 8). Ty ukazují na zkrácenou dobu natápění (obr. 9), při čemž ale základní rozdíly mezi oběma systémy zůstávají.

Závěr

V článku jsou prezentovány číselné výsledky různých systémů podlahového vytápění se zaměřením na klasický mokrý systém s betonovou zálivkou a překrytím 45 mm a systém s nízkým překrytím 8 mm. Závěry potvrzují, že systém s nižší tepelnou setrvačností generuje energetické výhody ve srovnání s klasickým systémem. Energetické rozdíly se projevují úsporou energií, vyplývající z předávání tepla v místnostech, a také z potřeby nižších teplot otopné vody připravované ve zdroji tepla, v tepelném čerpadle, tedy s vyšším topným faktorem. Pro velikost úspor na straně zdroje tepla z analýzy vyplývá hodnota až DW_F = 9,5 % ve prospěch systému s nízkým překrytím a v domě s nižšími tepelně-technickými parametry.

Je nutné upozornit na to, že čím jsou tepelně-technické vlastnosti domů lepší, tím se rozdíly mezi klasickým systémem a systémem s nízkým překrytím zmenšují. Velmi dynamicky se měnící provoz vytápění v domech s velmi dobrými tepelně-technickými vlastnostmi nabízí velmi malé energetické výhody ve srovnání s nepřetržitým provozem.

---

¹⁾ Zvolené konstrukce podlahového vytápění představují běžné konstrukční limity. V praxi se běžně konstrukce pohybují mezi hraničními hodnotami.

²⁾ Zejména při této variantě byl ke stanovení optimálního času zátopu použit matematický algoritmus, který je popsán v [7].

³⁾ Hodnota DW_F v tabulkách 3 a 4 ukazuje relativní rozdíl v souhrnu všech energetických podmínek mezi klasickým mokrým systémem a systémem s nízkým překrytím.

⁴⁾ V tomto článku jsou dokumentovány pouze výsledky pro dům s vlastnostmi podle WSVO82 a EnEV04. Údaje pro dům podle WSVO95 představují střední hodnotu těchto hraničních hodnot.

Literatura

1. Seifert, J.: Ein Beitrag zur Einschätzung der energetischen und exergetischen Einsparpotentiale von Regelverfahren in der ­Heizungstechnik, Habilitationsschrift, TU Dresden, 2009
2. WSVO 1982: Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden Wärmeschutzverordnung), Februar 1982, Bonn: Bundesregierung
3. WSVO 1995: Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung), August 1995, Berlin: Bundesregierung
4. EnEV 2004: Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden, November 2004, Berlin: Bundesregierung
5. DIN EN 1264: Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 3: Auslegung, Deutsches Institut für Normung e.V, 2012
6. Christoffer, J.; Deutschländer, T.; Webs, M.: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY. Deutscher Wetterdienst, 2004. – ISBN 3–88148–398–5
7. Knorr, M.: Zur funktionellen, energetischen und wärmephysio­logischen Bewertung der intermittierenden Betriebsweise von ­Heizungsanlagen, Dissertation TU Dresden 2010
8. Perschk, A.: Gebäude- und Anlagensimulation – Ein „Dresdner Modell“, GI Gesundheits-Ingenieur – Haustechnik – Bauphysik – Umwelttechnik 131, Heft 4, Seite 178 – 183, 2010

Poznámka:

Jde o překlad článku z německého originálu se souhlasem autorů a vydavatelství Krammer Verlag Düsseldorf (SHT 12/2013), a proto bylo zachováno originální označení veličin. Pouze jejich názvy byly upraveny podle zvyklosti v českém prostředí.

Seznam symbolů

A – plocha [m²]

m – teplotní exponent otopné plochy

Q_F  – celková potřeba energie [kWh]

Q_HF  – energie předaná otopnou plochu v místnosti [kWh]

Q_RL,b  – tepelné zisky potrubím ve vytápěných místnostech [kWh]

Q_RL,u  – tepelné ztráty v nevytápěných místnostech [kWh]

Q_Raum  – potřeba tepla na vytápění [kWh]

R_l,b  – tepelný odpor [m²·K·W^–1]

W_F  – potřeba elektřiny [kWh]

DW_F  – relativní úspora energie [%]

j  – stupeň zatížení

t  – čas [h]

J_i  – vnitřní teplota [°C]

J_V  – teplota přívodní vody [°C]

DJ_V  – teplotní spád [K]

DJ_m,N  – rozdíl teplot [K]

DJ_op  – odchylka operativní teploty v místnosti ve vztahu k žádané hodnotě [K]