Teoretické a praktické úspory tepla panelových domů po jejich zateplení – 1. část

Autor se v dvoudílném příspěvku zamýšlí nad skutečnými přínosy zateplení panelových objektů. Tento první díl je věnován analýze teoretických, na papíře velmi dobře vypadajících procentních úspor a praktických, které zřejmě vyvolají řadu diskuzí. Nicméně z této analýzy jasně vyplývá, že prosté (bez dalších návazností na otopnou soustavu) zateplení objektu má efekt velmi sporný, z ekonomického hlediska až negativní, pokud byly zateplením sledovány pouze úspory tepla. Paradoxně tak hlavní přínos spočívá v opravě obvodového pláště, stavebních výplní a v estetickém efektu. V dalším díle bude věnována pozornost návrhu směšovacího uzlu po zateplení objektu.

Recenzent: Jiří Doubrava

Úvod

Kolem zateplování panelových domů existuje množství pověr, pokud se týče očekávaných úspor tepla a doby návratnosti vložených prostředků.

Teoretická úspora ve spotřebě tepla vychází z podílu tepelných ztrát po zateplení objektu ke stavu před jeho zateplením. Skutečná úspora tepla vychází z podílu fakturovaného množství tepla po zateplení objektu ke stavu před jeho zateplením. I když takové porovnání není úplně přesné z důvodu jiné vnitřní teploty, na kterou je a byl objekt vytápěn, a jiného počtu denostupňů ve srovnávacím období, lze dokázat, že mezi snížením tepelných ztrát a snížením spotřeby tepla nelze klást rovnítko.

Aby bylo možné zjistit rozdíl mezi teoretickou a skutečnou úsporou spotřeby tepla, byl pro porovnání zvolen konkrétní typ panelového domu Larsen-Nielsen o dvou sekcích. V domě je celkem 62 bytů a 155 bydlících osob. Tepelná izolace panelových domů byla původně v tloušťce 5 cm, později se začaly stavět domy s tloušťkou tepelné izolace 8 cm. Má smysl zateplovat oba typy domů, nebo jen ten s menší tloušťkou tepelné izolace?

Součinitelé prostupu tepla obvodových konstrukcí, geometrická a teplotní charakteristika objektu jsou předpokladem pro stanovení původních a nových tepelných ztrát prostupem panelového domu.

Tepelné ztráty větráním se na rozdíl od tepelných ztrát prostupem nemění s tloušťkou tepelné izolace. Zůstávají stále stejné, mění se ale poměr tepelné ztráty větráním k tepelné ztrátě prostupem. Zatímco u nezatepleného objektu je tento poměr vždy menší jak 1, u zatepleného je tento poměr obrácený a tedy větší jak 1. Proto byla otázce bytového větrání věnována zvýšená pozornost. Neuvažuje se přitom s prostou výměnou vzduchu za hodinu, často diskutabilní, ale s koncentracemi CO₂ čerstvého a vydechovaného vzduchu, jeho množstvím a hygienicky přijatelnou horní mezí této koncentrace.

Výsledná hodnota potřebného množství větracího vzduchu je porovnána s čistým objemem zóny, tedy objemem budovy bez vnějších a vnitřních konstrukcí. Výsledná hodnota výměny vzduchu platí v případě, že do bytového prostoru nevstupuje jiná škodlivina, jako např. cigaretový kouř, při kterém se požadovaná výměna vzduchu, a tím i tepelná ztráta větráním, zvyšuje přibližně na dvojnásobek.

Poměr mezi tepelnými ztrátami před a po zateplení objektu bývá označován jako procentní úspora roční spotřeby tepla. Jak uvidíme dále, není tomu tak. Roční spotřeba tepla na vytápění závisí kromě nových tepelných ztrát po zateplení domu ještě na výpočtové a průměrné venkovní teplotě, počtu denostupňů, počtu provozních hodin vytápění za den a zejména na průměrné teplotě vnitřního vzduchu, na který je objekt vytápěn. Zatímco hodnoty výpočtové i průměrná venkovní teplota, počet denostupňů a doba vytápění zůstávají přibližně stejné, vnitřní teplota ve vytápěném prostoru se po zateplení objektu výrazně zvýší. To v případě, že teplota otopné vody zůstane stejná jako před zateplením.

Bez možnosti snížit dodávku tepla do objektu snížením teploty otopné vody je dosažitelná úspora tepla problematická. Přibližně se uvádí, že zvýšení vnitřní teploty o 1 K znamená zvýšení spotřeby tepla o více jak 6 %.

Má-li se snížit teplota otopné vody na vstupu do objektu, což je nutnou podmínkou pro snížení spotřeby tepla, musí se navrhnout směšovací stanice. Jak uvidíme, ani návrh směšovací stanice není bez problému. Do sídliště je dodávána otopná voda ekvitermně regulovaná na teplotu o něco vyšší, než vyhovuje nejvzdálenějšímu, ještě nezateplenému objektu. Znamená to, že objekty bližší zdroji tepla mohou být přetápěny a zcela určitě jsou pak přetápěny objekty zateplené, pokud nejsou vybaveny směšovací stanicí schopnou na změny vyvolané zateplením reagovat odpovídajícím způsobem.

Na tomto místě se tedy zcela zákonitě objevuje otázka, zda může být směšovací stanice nefunkční, respektive nesprávně funkční. Odpověď zní ano, může. Lze odhadnout, že takových stanic může být velké množství, jak bude ukázáno dále.

Hlavní příčinou nesprávně funkčních směšovacích stanic je skutečnost, že není známa hodnota dispozičního tlaku na patě zásobovaného objektu. Běžné důvody:

• Na vstupním potrubí otopné vody chybí manometry nebo jsou poškozené.
• Chybí vypouštěcí kohouty, na kterých by se dala tlaková diference změřit nebo je vypouštěcí kohout jen jeden.
• Pokud jsou vypouštěcí kohouty na přívodním i zpětném potrubí, pak projektantovi obvykle chybí měřidlo, kterým by se dala tlaková diference změřit. Na údaj od dodavatele tepla se spolehnout nelze. Obvykle nám sdělí tlak 6 bar (!), v lepším případě minimálně 40 kPa, nebo rozmezí tlakové diference 40 až 110 kPa. Tyto, svým způsobem „tabulkové“, údaje nelze použít pro odpovědný technický návrh směšovací stanice. V praxi bylo mnohokrát ověřeno, že skutečnost je jiná a hodnoty se dynamicky mění.

Geometrická charakteristika panelového domu

Vybraný panelový dům popisují geometrické parametry podle tabulky 1:

Objem zóny pro větrání je spočten z celkového objemu domu s odečtením vnějších i vnitřních konstrukcí.

Teplotní charakteristika panelového domu

Teplotní parametry, výpočtové teploty venkovního a vnitřního prostředí jsou v tab. 2.

Tepelně technické parametry – součinitelé prostupu tepla konstrukcí

Původní obvodový plášť zvoleného panelového domu je v průčelí nenosný, ve štítech nosný, celostěnový železobetonový. Před tepelně-technickou revizí v roce 1979 se průčelní panely skládaly z 150 mm železobetonu, 50 mm tepelné izolace a dalších 60 mm železobetonu. Po revizi došlo k úpravě na 150 mm železobetonu + 80 mm tepelné izolace + 60 mm železobetonu.

Pro zateplení domu se uvažuje s při­dáním vrstvy tepelné izolace tloušťky 100 mm k popsané konstrukci. Hodnoty tepelných odporů jednotlivých vrstev obvodového pláště před a po zateplení, tepelné odpory konstrukcí a součinitelé prostupu tepla U pro dodatečnou tepelnou izolaci v tloušťce 100 mm jsou uvedeny v tabulce 3.

Ostatní hodnoty U (okna, dveře, střecha, podlaha) v původním provedení a po zateplení jsou v tabulce 4.

Požadavky na bytové větrání

Hlavní škodlivinou u bytového větrání je oxid uhlíku CO₂. Koncentrace CO₂ se udává buď v %, nebo v jednotkách PPM (Parts per milion = částic v milionu), které jsou 10 000× větší. Koncentrace této škodliviny ve venkovním vzduchu, vydechovaném vzduchu a hygienicky přijatelnými hodnotami pro interiér jsou v tabulce 5. Tabulka je doplněna množstvím vydechovaného vzduchu pro průměrnou, v klidu sedící osobu.

Tab. 5 • Koncentrace CO₂

U hygienicky přijatelné horní meze je uvedena koncentrace 1000 ppm. Tato hodnota se podle literatury může pohybovat od 700 do 1200 ppm.

Požadavek na bytové větrání je spočten v m³/osobu podle množství vydechovaného vzduchu, jeho koncentraci, koncentraci venkovního vzduchu a hygienicky přijatelnou horní mez koncentrace CO₂ – viz tabulka 6.

Tab. 6 • Koncentrace CO₂ – požadavek na bytové větrání

Celkový požadavek na množství větracího vzduchu je spočten jako násobek počtu osob v domě bydlících a požadavku na jednu osobu. Porovnáním hodnoty výsledných 5723 m³/h s objemem zóny pro větrání 11479 m3 vychází intenzita větrání 0,5 1/h, což je hodnota očekávaná. Pokud by byl v bytech i jiný druh škodliviny, pak je tato hodnota výměny vzduchu nedostatečná. Např. u kouření se udává potřebná hodnota výměny vzduchu dvojnásobná. Tabulka je doplněna potřebou tepla pro ohřev větracího vzduchu, která zůstává stejná bez ohledu na zateplení objektu.

Tepelné ztráty panelového domu před a po zateplení

Celková tepelná ztráta je součet tepelné ztráty prostupem a tepelné ztráty větráním. Zateplením panelového domu, včetně výměny oken za okna plastová, se sníží celkové tepelné ztráty o 34,4 % v případě tenčí původní izolace a o 30,0 % v případě panelů se silnější původní izolací.

Parametry otopné soustavy před a po zateplení objektu

Snížení spotřeby tepla o stejné procento by bylo možné jen v případě, že:

• v odpovídajícím poměru se sníží i teplota otopné vody
• objekt je vybaven fungujícími termostatickými ventily s přednastavením ventilových spodků podle výpočtu
• otopná soustava objektu byla hydronicky vyvážena

Jak jsou tyto předpoklady v praxi splněny?

• teplota otopné vody zůstane ve většině případů stejná, jako před zateplením objektu. Díky tomu dojde k přetápění objektu. Vyhovující teplota otopné vody po zateplení objektu je obvykle nižší o 10 až 15 K oproti teplotě otopné vody před zateplením objektu.
• ne všechny objekty mají funkční termostatické ventily s nastavením ventilových spodků na základě výpočtu
• je pouze minimum objektů, které mají na odbočkách stoupaček vyvažovací ventily. Pokud už je mají, neexistuje protokol z měření, který by dokladoval, že otopná soustava byla seřízena pomocí vyvažovacího přístroje a jak

Po snížení tepelných ztrát v důsledku zateplení objektu je potřeba snížit i dodávku tepla do objektu. Toto není možné udělat hledáním „správné“ polohy kulového kohoutu na vstupu otopné vody.

Snížit průtok do otopné soustavy by bylo teoreticky možné jen v případě, že by se po zateplení ve stejném poměru snížení tepelných ztrát zmenšila i otopná plocha. Protože to v praxi nepřipadá většinou v úvahu, je potřeba v poměru snížení tepelných ztrát snížit teplotu otopné vody.

Střední teplota otopné vody se stanoví z výpočtové teploty na přívodu a zpátečce jako aritmetický průměr obou teplot:

Kde:

• t_p – výpočtová teplota v přívodu
• t_z – výpočtová teplota ve zpátečce
• t_s – střední teplota otopné vody

Teplota v přívodu a zpátečce, neboli teplotní parametry otopné soustavy mohou být jmenovité a provozní. Jmenovité parametry otopné soustavy byly u starších objektů např. 90/70 °C nebo 92,5/67,5 °C, u novějších objektů pak např. 80/60 °C nebo 75/55 °C apod.

Na jmenovité parametry otopné soustavy byla dimenzována otopná plocha objektu. Vlivem rezerv ve výpočtu tepelných ztrát a nesoučasně působících dalších vlivů, jsou provozní parametry otopné soustavy nižší, v praxi například 76/56 °C. Znamená to, že dodavatel tepla dodává otopnou vodu při venkovní výpočtové teplotě např. –12 °C o teplotě 76 °C.

Protože hledáme nastavení nové ekvitermní křivky, která by vyhovovala provozu objektu po jeho zateplení, budeme pro její stanovení vycházet z poměru nových a původních tepelných ztrát.

Původní střední teplota otopné vody byla vypočtena z teplotního spádu 76/56 °C podle rovnice 2:

Nová střední teplota otopné vody byla vypočtena podle rovnice 3:

 

Konkrétní hodnota tepelných ztrát je dosazena pro objekt se zateplením 5/15 cm izolace.

U zatepleného objektu se sníží teplotní spád v poměru nových a původních tepelných ztrát, průtok do otopné soustavy zůstává tak zachován, stejně jako oběhové čerpadlo. Pokud by se průtok snížil v poměru snížení tepelných ztrát, mohlo by dojít k narušení hydrauliky otopné soustavy.

Nový, snížený teplotní spád otopné vody je vypočten podle rovnice 4:

Nová teplota v přívodu bude podle rovnice 5:

Nová teplota zpátečky bude podle rovnice 6:

 

V rovnicích 2 až 6 je:

• t_i – vnitřní teplota [°C]
• Q_N – tepelná ztráta objektu před zateplením [kW]
• Q_N+1 tepelná ztráta objektu po zateplení [kW]
• n – koeficient otopného tělesa, pro radiátory n = 0,33
• t_s – původní střední logaritmická teplota otopné vody (v tabulce t_s = 65,55 °C)
• t’_s – nová teplota přívodní otopné vody
• t’_s – nová teplota zpětné otopné vody

Vypočtená teplota t’_s  slouží pro první nastavení ekvitermního regulátoru při venkovní výpočtové teplotě. Podle odezvy otopné soustavy se tato hodnota v praxi může lišit až o ±5 K.

Pro výpočet průměrné teploty otopné vody byl použit jednodušší vztah pro aritmetický průměr. Pokud by se při výpočtu průměrné teploty otopné vody použil namísto aritmetického průměru logaritmický, vznikla by odchylka t’_p  menší než ±0,5 K, což je pro nastavení otopné křivky v praxi bezvýznamné.

Výsledky výpočtu jsou v tabulce 9:

Paradoxně může na první pohled působit fakt, že více zateplený objekt (celkem 18 cm izolace) potřebuje pro stejnou vnitřní teplotu +20 °C vyšší přívodní teplotu otopné vody (porovnej hodnoty 61,8 a 59,7 °C). Je to dáno tím, že (v procentuálním vyjádření) se původní tepelné ztráty vícezatepleného objektu snížily méně, než je tomu o objektu s celkovými 15ti cm tepelné izolace.

Na tomto místě si lze všimnout, že nová přívodní teplota otopné vody je nižší o více jak 15 K, než byla teplota před zateplením. Pokud se nepodaří přívodní teplotu otopné vody o tuto hodnotu snížit, pak není možné teoretické úspory ve spotřebě tepla očekávat, ani dosáhnout.

Úspora tepla po zateplení objektu

Úspora tepla po zateplení objektu závisí na rozdílu tepelných ztrát, venkovní výpočtové teplotě, venkovní průměrné teplotě za otopné období, počtu denostupňů pro danou oblast, provozní době vytápění za den a zejména na v průměru dosahované vnitřní teplotě t_i, podle vztahu (3):

Opravný součinitel na snížení vnitřní teploty a na zkrácení doby provozu vytápění je uvažován =1 a není do rovnice zahrnut.

Kde:

• Q_rok – roční spotřeba tepla [kWh]
• Q_N – tepelná ztráta před zateplení objektu
• Q_N+1 – tepelná ztráta po zateplení objektu
• D° – počet denostupňů pro danou oblast (220) [–]
• Pd – počet provozních hodin za den (24 h/den)
• t_ef – průměrná venkovní teplota za otopné období (+4 °C)

Dosazením hodnot do rovnice (7) získáme hodnoty podle tabulky 10.

Vidíme, že při dodržení teploty +20 °C ve vytápěném prostoru je teoretická roční úspora tepla vyjádřená v % stejná, jako je poměr tepelných ztrát před a po zateplení objektu.

Úspora tepla po zateplení objektu

Praktická úspora ve spotřebě tepla po zateplení objektu závisí zejména na dodržení stejné teploty t_i [°C] ve vytápěném prostoru, jaká byla před zateplením. Tuto teplotu je možné udržet na původní hodnotě, předpokládejme +20 °C, jen při snížení teploty otopné vody. Pokud je ve srovnávacím období stejný počet topných denostupňů, počet provozních hodin vytápění za den i průměrná venkovní teplota za otopné období, pak je vnitřní teplota t_i [°C] jediným parametrem, který ovlivňuje spotřebu tepla.

Tepelné zisky od otopné soustavy, dané příliš vysokou teplotou otopné vody, není snadné a ani možné odstranit uzavíráním hlavic termostatických ventilů. A pokud se to v části objektu podaří, pak jen za cenu ztráty funkčnosti termostatických ventilů, které již nedokáží plnit svou základní funkci, pro kterou byly navrženy – využívat vnější a vnitřní tepelné zisky a tím šetřit spotřebu tepla.

Není výjimkou, že běžně dosahovaná teplota vzduchu ve vytápěných místnostech v zateplených domech bez správně funkční směšovací stanice, dosahuje hodnot 25 až 26 °C. Při vyšší vnitřní teplotě jak 20 °C se tepelné ztráty objektu zvyšují podle rovnice 9:

Kde:

• tepelné ztráty při t_i = 20 °C [kW]
• tepelné ztráty při t_i = t_i + Dt₂₀ [kW]

Dt₂₀ zvýšení vnitřní teploty nad hodnotu +20 °C [K]

Roční spotřeba tepla se současně zvýší podle rovnice (7). Teoretické roční ztráty tepla při nárůstu vnitřní teploty, vyjádřené v GJ/rok, Kč/rok a v % pro objekt s 5 + 10 cm/15 cm izolace jsou v tabulce 11.

Tabulka vychází z tepelné ztráty objektu s celkovou tloušťkou izolace 15 cm po jeho zateplení. Obdobné výsledky je možné získat pro tloušťku izolace 8 + 10 cm.

V konkrétních případech se zjišťuje, že roční ztráty tepla jsou ve skutečnosti i vyšší, neboť uživatelé bytů následkem nemožnosti dosáhnout snížení nadměrné teploty regulací tento nepříznivý stav řeší odvětráváním přebytečného tepla okny.

Ekonomická návratnost investice při zateplování domů

Při výpočtech ekonomické efektivnosti zateplení se setkáváme s pojmy životnosti a návratnosti investice.

U technologického zařízení pro tepelnou techniku se uvažuje s dobou životnosti cca 15 let.

Dobu návratnosti investice můžeme stanovit v případě, že ke stávajícímu stavu zvolíme alternativní řešení, při kterém investujeme prostředky s cílem dosáhnout provozních úspor. Z hlediska úvah o zateplování domů je stávajícím stavem stav objektu před zateplením a alternativním řešením stav po jeho zateplení.

U zateplovacích systémů se běžně uvažuje s dobou životnosti 25 let přesto, že některá provedení zateplení budou vyžadovat opravu i v době kratší. Otázkou je, jaká by měla být doba návratnosti prostého zateplení objektu. Tedy zateplení bez nutnosti opravy statických prvků konstrukce panelového domu. Jinými slovy zateplení objektu pro zlepšení jeho vzhledu a nějakou úsporu tepla.

Prostá doba návratnosti není zdaleka jediným kritériem pro hodnocení efektivnosti investice. Pokud se pohybuje v rozmezí cca 20 až 30 % doby životnosti investice, pak má smysl použít složitější ekonomická kritéria, aby se došlo ke zjištění, zda bude investice výhodná nebo ztrátová.

Provozní úspory při zateplení objektu mohou být uvažovány ve dvou rovinách. Jednou při instalaci vhodné směšovací stanice, kdy je teoreticky možné dosáhnout vypočtené spotřeby tepla pro vytápění, ve druhém případě v obvyklých a nejvíce rozšířených případech zateplených objektů bez směšovací stanice, nebo se směšovací stanicí, která už v počátku svého návrhu nemůže být funkční.

Investiční náklady na zateplení v tabulce 12 vycházejí z realizovaných cen v roce 2010, navýšené pro rok 2011 o 5 %.

Roční úspora tepla na vytápění závisí na množství ušetřeného tepla v GJ/rok a na ceně tepla. Pro snadnou reprodukovatelnost údajů byla cena tepla uvažována ve výši 400,– Kč/GJ. Obvykle je cena tepla dvousložková a mění se jak s lokalitou, tak i s typem zdroje tepla.

Z tabulky 13 je vidět, že prostá doba návratnosti se nachází v oblasti výrazně vzdálené od doby životnosti zateplovacího systému. A to i v případech, kdy je teplota otopné vody přesně regulována na hodnotu, která vylučuje přetápění objektu.

Jaká je prostá doba návratnosti v případě, že objekt není vybaven funkční směšovací stanicí a dochází tak k přetápění objektu na průměrnou teplotu 24 °C, je uvedeno v tabulce 14.

U panelového domu s menší tloušťkou tepelné izolace se při přetápění způsobeného zateplením domu bez odpovídajících opatření na straně směšovací stanice zvýší prostá doba návratnosti z původních 47 na 89 let. U panelového domu s větší tloušťkou tepelné izolace je tento poměr ještě horší, původní návratnost 58 let se zvýší na zcela nereálných 167 let.

I když je doba návratnosti delší jak doba životnosti zateplovacího systému není zajímavá, je zajímavé zjištění, o kolik peněz přichází objekt vlivem nedobrovolného přetápění. Porovnáním tabulek docházíme ke zjištění, že po zateplení objektu s tloušťkou izolace 15 cm a průměrnou teplotou 24 °C objekt ztrácí v průměru 108,8 tis. Kč/rok a 2,7 milionů Kč za předpokládanou dobu životnosti zateplovacího systému 25 let.

U objektu s větší tloušťkou tepelné izolace 18 cm je finanční ztráta 118,6 tis. Kč/rok a téměř 3,0 mil. Kč za období 25 let v dnešních cenách.

Po provedených výpočtech lze dojít k závěru a doporučení pro správce jednotlivých objektů:

• Zateplení panelového domu se může vyplatit v případech, kdy je nutná oprava statických závad objektu, nebo příspěvek státu bude tak významný, že doba návratnosti vložené investice do samotného zateplení bude kratší, než je předpokládaná doba životnosti zateplovacího systému.
• Samotné zateplení objektu úsporu tepla nepřináší, nebo jen v minimální výši. Většinou přinese jen zvýšení vnitřní teploty a větší tepelnou ztrátu odvětráváním přebytečného tepla. Úsporu tepla přináší až směšovací stanice, která dokáže udržovat vnitřní teplotu na požadované hodnotě.

---

Theoretical and practical energy savings in prefabricated buildings after thermal insulation installation – part 1

Author deals with building energy savings after thermal insulation installation. Energy savings are achieved only when both made the correct adjustment of heating system.

Keywords: energy saving achievement, heating system regulation

Dokončení příště