Vliv zateplení panelových objektů na optimalizaci otopných soustav

V současném období probíhají velmi intenzivní stavební práce týkající se zateplování obvodových plášťů panelových objektů, jejichž cílem je nejen revitalizace objektů, ale i snížení vysoké spotřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody, popřípadě na větrání či klimatizaci. Náklady za zateplení a ceny tepla se dostávají prakticky na vrchol svého maxima z hlediska schopností a možností jeho splácení širokými vrstvami obyvatelstva bydlícími v panelových domech, a jedno omezuje druhé.

Úvod

Cesta z tohoto bludného kruhu, navíc orámovaná různými legislativními úpravami a normativními požadavky, je jen jediná, neustále šetřit a hledat v rámci finančních možností jakékoliv úspory projevující se snížením provozních nákladů každého panelového objektu. Význam problému potvrzuje statistika, která uvádí, že nejvíce obyvatel České republiky bydlí právě v panelových domech postavených v různých časových etapách.

Panelové domy

Snaha o urychlení výstavby bytů vedla od roku 1948 k prefabrikaci stavebních prvků a k typizaci výstavby. Postupně docházelo zejména k objemové a prvkové typizaci a na jejich základě vznikly panelové soustavy různých typů. Panelové domy lze rozdělit do dvou hlavních konstrukčních skupin s podélným nosným systémem a s příčným nosným systémem, který se v Československu využíval výrazně častěji. V České republice se nejčastěji objevují tři základní typy konstrukčních skupin: T OXB, VVÚ-ETA a P 1.11. Každý z těchto typů má své varianty podle dané lokality. Mezi další typy patří např. systémy Larsen-Nielsen, OP 1.1. až OP 1.21., P 1.14, P 1.15, BANKS I/1, PS 82, B 70 atd. Konkrétní popis jejich konstrukčního řešení lze najít v literatuře [4].

Otopné soustavy

Otopné soustavy byly pro jednotlivé stavební konstrukční systémy zpracovány v různých variantách z hlediska jejich hodnocení podle kritérií technickoekonomické efektivnosti [1]. Podle tohoto hodnocení byly zpracovány podkladové materiály na úrovni prováděcí dokumentace (půdorysy, schéma svislých rozvodů) a k nim příslušné rozpočty rozčleněné podle funkčních prvků a potřeby. Zároveň byla stanovena pracnost montáže a spotřeba materiálu té které otopné soustavy. Teplotní spád otopných soustav byl navrhován výhradně 92,5/67,5 °C nebo 90/70 °C. Po­užívala se otopná tělesa stejného druhu a materiálu (litinová článková, výjimečně ocelová). Za základní otopnou soustavu byla považována dvoutrubková vertikální otopná soustava se spodním rozvodem a s nuceným oběhem otopné vody. Její charakteristické znaky byly:

• parametry otopné vody,
  – přívod t_p = 92,5 °C nebo 90 °C,
  – zpátečka t_z = 67,5 °C nebo 70 °C,
• spodní rozvod,
• nucený oběh,
• hydraulicky nízkoodporové vertikální (stoupací) větve,
• hydraulicky vysokoodporové připojení otopných těles,
• samostatně regulovatelné provozní skupiny s dělením podle světových stran,
• možnost realizace vhodného regulačního zařízení pro jednotlivé provozní skupiny soustav,
• horizontální rozvodné potrubí s do­brou tepelnou izolací.

Pro eliminaci nepříznivého účinku přirozeného oběhového vztlaku (dosažení přijatelné hydraulické a teplotní stability) bylo prováděno dimenzování otopných soustav podle určitých pravidel [1] pro všechny stavební objekty bez ohledu na počet podlaží.

U panelových objektů bylo uvažováno s teplárenským, centralizovaným zásobováním tepla nebo se zásobováním z objektových plynových kotelen prostřednictvím předávacích (regulačních) stanic, společných i pro několik objektů, které byly umístěné přímo v některém zásobovaném panelovém domě. Vytápění koupelen bylo variantně řešeno i elektrickými infrazářiči. V panelových objektech bylo horizontální (ležaté) rozvodné potrubí umístěno pod stropem podzemního (instalačního) podlaží, přičemž horizontálním rozvodem se rozumí část potrubí od zdroje tepla ke svislému potrubí – stoupačce. Normální dvoutrubkový rozvod byl navržen jak při společném rozvodu (jedna provozní skupina), tak při rozdělení otopné soustavy, a tím i rozvodu, podle světových stran (fasádové stěny). Vertikální větve (stoupačky) včetně přípojek k otopným tělesům (dvoutrubkové soustavy) byly vedeny volně před obvodovými stavebními konstrukcemi a procházely tak svisle byty nad sebou.

Tichelmannův rozvod

Z důvodů velké půdorysné rozlehlosti panelových domů a velkého počtu nadzemních podlaží, nebo sekcí, byly s výhodou hojně navrhovány dvoutrubkové horizontální otopné soustavy se spodním souproudým rozvodem označované zkráceně Tichelmann. Tyto otopné soustavy se používají jednak z důvodů snadnějšího hydraulického návrhu potrubní sítě při větší půdorysné rozlehlosti rozvodů vlivem dispozice bytů, pater, sekcí nebo celého stavebního objektu a dále hlavně pro odstranění provozních potíží projevujících se po celou dobu provozu otopné soustavy při všech provozních stavech (průběh teploty otopné vody t_p a t_z ve vztahu k průběhu venkovní teploty vzduchu t_e) vyplývajících z hydraulické nestability a teplotní nestability celé soustavy. Provozní potíže jsou tím větší, čím větší je vzdálenost vertikálního potrubí (stoupačky) od zdroje tepla a čím menší je výšková osová vzdálenost mezi středem zdroje tepla a horizontálním potrubním rozvodem h_o a čím větší je výšková osová vzdálenost mezi horizontálním potrubním rozvodem a středem příslušného otopného tělesa h₁ (princip Tichelmannova pravidla). Více např. [2]. Obecně platí, že u nejbližšího vertikálního potrubí (stoupačky S1) ke zdroji tepla je značný přebytek dispozičního tlaku, který se musí odstraňovat regulací (škrcením průtoku). Tento nedostatek je odstraněn u horizontálních potrubních sítí se souproudým rozvodem (prouděním) tím, že jsou zde rovnoměrně rozděleny dispoziční tlaky, poněvadž součet délek přiváděcího a zpětného ležatého potrubí je v každém místě této otopné soustavy stejný.

S velkou výhodou se používá Tichelmannův rozvod také při zapojení velkého počtu otopných těles v jednom podlaží. Toto zapojení je vhodné pro přirozené hydraulické vyrovnání poměrů v místech napojení otopných těles. Horizontální větve otopné soustavy se souproudým zapojením těles mohou být otevřené nebo uzavřené, přičemž každá větev může být podle uživatelů pro jeden byt nebo pro celé podlaží (patro). Málo známé a používané je vertikální (svislé) dvoutrubkové rozvodné potrubí se souproudým rozvodem (Tichelmannův vertikální rozvod objektový).

Hydraulická a teplotní stabilita

Z výpočtového vztahu pro vyjádření hydraulické stálosti potrubní sítě, na které je napojeno více spotřebitelů, a to panelových domů [2] ve tvaru

kde

• Y – součinitel hydraulické stálosti, platí, že Y < 1,0
• Dp_n – tlaková ztráta Nté kontrolované odbočky pro příslušný panelový dům [Pa]
• Dp_rs – tlakový rozdíl na prahu rozvodné sítě [Pa]

vyplývá, že potrubní síť s připojením více panelových domů je tím stabilnější, čím větší část z tlakového rozdílu mezi přívodním a zpětným potrubím připadá na tlakovou ztrátu panelového domu jako koncového odběratele (byt, podlaží, sekce). Jinými slovy řečeno, hlavní horizontální potrubní síť by měla být řešena tak, aby tato horizontální potrubní síť měla nižší měrnou tlakovou ztrátu R_m, tj. nižší rychlost proudění teplonosné pracovní otopné vody. Větší část dispozičního tlaku p_d by se pak měla spotřebovat v části odběratele – v panelovém domě. Dalším problémem je dodržení podmínek teplotní stability spočívající v rozdělení a udržení hmotnostního průtoku otopné vody u dvoutrubkových systémů s nuceným oběhem otopné vody v takových mezích, aby byly dodrženy požadované vnitřní teploty (vzduchu) ve vytápěných místnostech v předepsaných hodnotách daných normovými předpisy, a to během celého otopného období zahrnujícího přechodné i zimní období. Podmínky teplotní stability vytápěných prostor vícepodlažních budov a výškových objektů je možné nalézt např. [3].

Obr. 5 • Teplotní diagram teploty otopné vody v závislosti na venkovní teplotě [3] t_i = 20 °C, t_p = 92,5 °C, t_z = 67,5 °C, t_m = 80 °C, t_e = –12 °C

Stav po zateplení panelového objektu

Zateplením panelového objektu dochází zlepšením tepelně-technických vlastností stavebních obvodových konstrukcí a výměnou výplňových prvků ke snížení požadovaného tepelného příkonu pro vytápění objektu řádově až o 1/3. Mezi stupněm zateplení panelového objektu a stupněm snížení potřeby tepelného příkonu pro vytápění ale neexistuje jednoznačná přímá úměra. Problém je komplikovanější a závislý na mnoha proměnných. Z technické praxe jsou známy dokonce případy, že po zateplení panelového objektu nedošlo automaticky k výrazným a očekávaným energetickým úsporám a finanční vyjádření přínosu zateplení bylo mizivé.

Tepelný výkon teplovodní otopné soustavy s nuceným oběhem otopné vody se za provozu reguluje pouze změnami teploty otopné vody v závislosti na venkovní teplotě, přičemž se její hmotnostní průtok prakticky nemá měnit. Na základě těchto předpokladů jsou odvozeny a vypočítány teplotní diagramy (otopové, ekvitermní křivky), tj. závislosti teplot otopné vody v přívodním a zpětném potrubí na výši venkovní teploty.

Po zateplení panelového domu je proto velmi důležité, aby okruhy všech otopných těles měly při jmenovitém průtočném množství teplonosné látky – otopné vody – stejný hydraulický odpor. A to z toho důvodu, aby všechna otopná tělesa měla při stejném teplotním rozdílu i stejnou střední povrchovou teplotu. Tím by měla být zajištěna stejná vnitřní teplota ve všech vytápěných místnostech.

U otopných soustav se předpokládá, že ještě před zateplením panelového domu došlo minimálně k výměně původních dvojregulačních ventilů za ventily s termostatickou hlavicí, a na patách stoupaček v horizontálním rozvodu v suterénu byly instalovány vyvažovací ventily s membránovými regulátory diferenčního tlaku pro dosažení vysokého stupně hydraulické stability otopné soustavy, a všechny vyvažovací prvky byly nastaveny podle optimalizačního výpočtu.

Tab. 1 • Parametry pro venkovní teplotu t_e = –12 °C [3]

Návrh úprav otopné soustavy

Aby bylo dosaženo požadovaných energetických, a tím i finančních, úspor po zateplení panelového objektu, je jednou z podmínek nutnost změnit původně nastavený teplotní diagram (otopové křivky, ekvitermní křivky), nebo-li nastavení průběhu teplot přívodní t_p a zpětné otopné vody t_z v závislosti na venkovní teplotě t_e, z původních hodnot teplotního spádu (např. 92,5/67,5 °C) na nové hodnoty teplotního spádu (např. 75/60 °C). A to vše při zachování podmínek hydraulické a teplotní stability otopné soustavy i po provedených změnách.

Podívejme se v krátkosti na modelový případ. Potřeba tepla pro vytápění panelového objektu před jeho zateplením činí cca 264 kW, v objektu je instalovaná horizontální otopná soustava typ Tichelmann s teplotními parametry 90/70 °C, tedy s teplotním spádem 20 K, střední teplota otopné vody je 80 °C a celkový průtok otopné vody otopnou soustavou činí cca 11 600 l/h. Panelový objekt prošel komplexní revitalizací s tím, že tepelný příkon potřebný pro vytápění se vlivem zateplení objektu snížil na cca 170 kW, tj. o cca 36 % (na 64 % původní hodnoty), přitom průtok otopnou soustavou ale zůstává nezměněn. Úkolem v technické praxi je tedy nalézt takový teplotní spád otopné vody (již snížený), který při zachování stejného hmotnostního průtoku otopné vody soustavou zabezpečí požadovaný tepelný příkon pro vytápění ve výši cca 170 kW. V obou případech předpokládáme, že venkovní výpočtová teplota t_e = –12 °C a požadovaná vnitřní teplota v obytných místnostech t_i = 20 °C zůstávají nezměněné. Výpočtem byly stanoveny nové teplotní parametry otopné soustavy ve výši 70/56 °C, se střední teplotou otopné vody 63 °C, s teplotním spádem 14 K. Z výpočtu vyplývá, že nelze v poměru snížení tepelného příkonu snížit průtok otopné vody v soustavě a ponechat teploty otopné vody (přívodní a zpětná) ve stejných, tedy v původních hodnotách.

V praxi jsou známy případy, že ze společné předávací (regulační) stanice umístěné přímo v některém panelovém domě jsou zásobovány jak panelové domy zateplené, tak panelové domy dosud nezateplené. Zde je situace složitější. Kdyby byl změněn teplotní diagram (snížení otopové, ekvitermní křivky) ve vztahu pouze k zateplenému panelovému objektu, tak se tato změna projeví u nezatepleného panelového domu jeho nedotápěním. Aby k tomuto nežádoucímu stavu nedošlo, je nutné řešit samostatně pouze zateplený panelový objekt, případně jen jeho zateplenou část.

Požadavek na snížení otopové křivky může nastat například pouze pro stoupačky umístěné na jižní straně zatepleného panelového domu během dne. Čidlo venkovní teploty se i pro stoupačky na jižní straně panelového objektu správně umísťuje vždy na severní straně objektu. Výsledkem by ale nemělo být to, že teplota otopné vody je stejná pro severní i jižní stranu. Snížení otopové křivky (ekvitermní křivky) pro jižní stranu má ale význam jen při slunečním svitu. V průběhu dne bez slunečního svitu, a v noci, by se otopová křivka měla nastavit na stejné parametry, jaké jsou platné pro severní stranu objektu. Nutnost řešit tento požadavek vzniká jen tehdy, pokud by termostatické hlavice nebyly schopné eliminovat vnější a vnitřní tepelné zisky.

Potřeba snížení teplot vyvolá nutnost změnit část horizontálního rozvodu podél jižní fasády panelového domu tak, aby mohl pracovat se sníženou teplotou jak přívodní, tak zpětné otopné vody. Jednou z možností technického řešení tohoto problému je vložení předávací stanice vhodného typu, nejčastěji hned za obvodovou zdí panelového domu.

Další možností technického řešení je například použití 2 předávacích stanic (směšovací stanice hlavní a podružná) umístěných jednak na vstupu do objektu (hlavní), tak na nejvzdálenější části horizontálního potrubního rozvodu otopné soustavy (podružná), ve kterých se kombinací změn průtočného množství přívodní a zpětné otopné vody sníží jejich původní nastavené teploty t_p a t_z vzhledem k venkovní výpočtové teplotě t_e na hodnoty nižší t_p1 a t_z1 respektující potřebné snížení tepelného příkonu pro vytápění vzhledem k zateplení panelového domu. Montáž předávací stanice nevyžaduje prakticky žádné stavební úpravy. Návrh technického řešení optimálního návrhu velikosti, typu a případného počtu předávacích stanic je podmíněn finančními prostředky.

Závěr

Zateplení panelového domu není levnou záležitostí a je vždy spojeno s odstraněním některých stavebních závad nebo nedostatků. Levnou záležitostí nejsou ani následné úpravy zasahující do původního systému soustavy TZB, a to zejména do soustavy vytápění včetně měření a regulace. Jen kompletní a kvalitně zpracovaný projekt, včetně následné realizace, je zárukou, že očekávané přínosy provozních úspor v krátké době zaplatí investici spojenou s modernizací nebo revitalizací panelového objektu, včetně vyžádaných úprav horizontálního rozvodu otopné soustavy, a následná minimální údržba pak potvrdí správnost přijatého rozhodnutí.

Literatura

1. Výzkumná zpráva P 19-123-218.: Technicko-ekonomická efektivnost otopných soustav různé koncepce pro bytové domy hromadné výstavby. Praha: VÚPS, 1976. 1. díl: Podklady.
2. LABOUTKA K., SUCHÁNEK T.: Vodní vytápěcí soustavy. Výpočtové tabulky a podklady pro výpočet. ČSVTS. Komitét pro životní prostředí. Praha: ÚOS 05 – Vytápění, 1988.
3. LABOUTKA K.: Otopné soustavy. Praha: SEI– EI, 1984.
4. Program Panel: Seznam typizovaných ­konstrukčních soustav, http://www.sfrb.cz
5. Projektové materiály, SYSTHERM s.r.o.