Experimentálny energeticky tepelnou ochranou

Transcript

1 Slovenská Technická Univerzita v Bratislave Stavebná fakulta, Katedra TZB Experimentálny energeticky pasívny dom s aktívnou tepelnou ochranou doc.ing.. Daniel KALÚS, PhD. 1

2 1. Tepelná ochrana budov Energeticky pasívne domy (EPD) sa vyznačujú svojou veľmi nízkou spotrebou energie na vykurovanie, a to 5 až 15 kwh/(m 2.rok). Táto nízka spotreba energie je vo väčšine prípadov dosahovaná mohutnou hrúbkou tepelnej izolácie stavebných konštrukcií, teda pasívnou tepelnou ochranou budov. 2

3 Luxemburský vedec, výskumník a fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké, (2 krát navrhnutý na Nobelovú cenu), vyvinul, patentoval aneustále zdokonaľuje technológiu budov ISOMAX (Terra-sol), ktorá je charakteristická aktívnou tepelnou ochranou budov. Energeticky pasívne domy vystavané touto metódou nevyžadujú akýkoľvek tradičný zdroj tepla aspotreba palív je nulová. Jednoduchý azároveň geniálny spôsob využitia solárnej ageotermickejenergie aktívnym spôsobom vytvára vyhovujúcu vnútornú klímu budov aaplikuje sa nielen na vykurovanie apredohrev TV vjadrových zásobníkoch, ale aj na chladenie avetranie stavebných objektov. 3

4 2. Fyzikálny princíp p využitia solárnej a geotermickej energie Kontinuálny prúd tepla smerovaný z hĺbky zeme na povrch sa odhaduje na 4x10 10 kw, vo vzťahu k povrchu zeme je to cca 0,7 kwh/(m 2.rok). Na priame využitie je táto hodnota príliš nízka, pokiaľ neuvažujeme s anomáliou ako sú horúce vody, ktoré sú uzavreté vpodzemnom rezervoári a okrem formy gejzíru nemajú žiadne prirodzené spojenie s povrchom. Termické využitie podložia je v súčasnosti v kruhoch vedcov a technikov rozšírenou témou, pri tom sa rozlišuje využitie spodnej vody studňami, využitie podpovrchového podložia kolektormi zemského tepla alebo sondy zemského tepla, pričom sú použité aj základové pilóty ako nosič tepla ("energetické pilóty"). Vo všetkých týchto prípadoch sa používajú na dosiahnutie potrebnej teploty teplonosnejlátky tepelné čerpadlá. 4

5 Úplne inú a podstatne hospodárnejšiu cestu zvolil Dipl. Ing. Edmond D. Krecké, pričom priamo využíva podpovrchové zemské teplo podporovanéteplom slnečným. Je známe, že v hĺbke 3 až 4 m pod povrchom zeme je stála teplota zeminy 5 až 10 C, (obr. 2.1), a to v lete aj v zime, nezávisle na zemskej atmosfére. Niekedy sa táto teplota nazýva pivničnou teplotou, v zime ju pociťujeme ako teplo a v lete ako chlad. 5

6 V budove sa energia na vykurovanie vynakladá podľa jednotlivých teplotných rozdielov medzi exteriérom a interiérom. Ak by sme na praktické účely využili túto nevyčerpateľnú energiu tým, že by sme "zásobovali" všetky vonkajšie steny touto teplotou (povedzme 10 C), ani veľmi nízke vonkajšie teploty by nemohli priamo ovplyvniť vnútornú teplotu: dosiahli by sme tzv. tepelnú bariéru a energetická spotreba budovy by bola závislá len od rozdielu vnútornej teploty od teploty tepelnej bariéry -ako ukazuje obr bez ohľadu na to, ako klesne vonkajšia teplota. 6

7 Ako však môžu byť vonkajšie steny zásobované zemským teplom? V podlahe pivnice, resp. v hĺbke cca 3 m pod zemským povrchom sa pokladajú potrubia, v ktorých cirkuluje voda. Voda absorbuje zemské teplo a čerpadlom je dopravovaná do potrubného systému vo vonkajších stenách podobne ako to je pri stenovom veľkoplošnom vykurovaní. Po odovzdaní tepla sa opäť ohrieva zeminou. 7

8 Pri výstavbe budovy podpivničenej ale aj nepodpivičenejsa základová doska izoluje z oboch strán. Tým sa dosiahne, že prúd tepla prichádzajúci z vnútra zeme sa pod základovou doskou zastaví a teplota tu stúpa, až kým sa nedosiahne rovnováha s prúdom tepla unikajúcim do atmosféry po stranách budovy. Toto zvýšenie teploty nastane samozrejme aj vtedy, ak budova nie je priamo vykurovaná. Nárast teploty je okrem iného závislý od hĺbky základov a pôdorysnej plochy. Predstavuje v súčasnosti 2 až 4 Kelviny (K), takže teplota v tepelnej bariére dosahuje cca 10 až 12 C a pre spotrebu energie je rozhodujúci teplotný rozdiel Δt = 20 C 12 C (10 C) = 8 K (10 K) (obr. 2.3). 8

9 Tento teplotný rozdiel je žiadúce ďalej znižovať, to znamená zvyšovať teplotu v tepelnej bariére, a to až na teplotu vykurovaného interiéru bez toho, aby bol potrebný prísun energie. V interiéri samozrejme zohľadňujeme aj solárne zisky, ataktiež zisky od vnútorných zdrojov, či už od samotného užívateľa ale aj od všetkých spotrebičov (TV, PC, varenie, atď.). Tu prišiel fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké na myšlienku využitia ďalšieho, nevyčerpateľného, výkonného a lacného zdroja energie -slnko (obr. 2.4). 9

10 Priemerný ročný objem slnečného žiarenia vnaších podmienkách predstavuje energiu cca 1200 kwh/(m 2.rok) ročne pri horizontálnych plochách (obr.2. 5.). Zoberme si príklad, že na zásobovanie tepelnej bariéry energeticky pasívneho domu potrebujeme energiu 10 až 12 kwh/(m 2.rok) -takto by sme s vyžiarenou energiou mohli zásobiť 100 až120 podlaží energeticky pasívnych domov splochou našej krajiny! Je to teoretická hodnota z ktorej je nutnéešte odpočítať straty, nestabilitu slnečného žiarenia, znečistenie ovzdušia pohlcujúce žiarenie, atď., i napriek tomu však predlkladanáhypotéza poukazuje na vysoký energetický potenciál slnečnej energie, ktorý je možný využiť zadarmo. Treba dodať, že zvlášť pri výškových budovách možno rátať nie len s horizontálnymi alebo šikmými plochami striech, ale aj s vertikálnymi plochami stien, ktorémožno využiť na absorpciu slnečnej energie. Obr

11 Vidíme, že vďaka slnku máme k dispozícii zdroj energie, s ktorým môžeme vytvárať tepelnúpohodu v budovách prakticky zdarma. Je to iba otázka absorpcie ako aj prenosu a akumulácie energie. Vďaka zemi máme k dispozícii zdroj energie na chladenie ako aj akumulátor na ukladanie solárneho tepla. Táto technológia bola nazvanájej vynálezcom - fyzikom Dipl. Ing. EdmondD. Kreckém -TERRA-SOL TECHNOLÓGIA. 11

12 3. Technické riešenie enie využitia solárnej a geotermickej energie Pod strešnú krytinu, presnejšie povedané medzi strešnú krytinu a tepelnú izoláciu sa pokladajú absorpčné vedenia -plastové potrubia, rovnako ako vo vyššie popísanej tepelnej bariére. Vo vonkajších stenách -ak sú tu absorpčné vedenia potrebné -sa tieto inštalujú do vonkajšej omietky. Voda v potrubiach sa v lete pri slnečnom žiarení a odpovedajúcich vonkajších teplotách ohrieva až na 65 C, v zime aj pri mínusových teplotách a slnečnom počasí je možnéohriať vodu na použiteľných 20 až 25 C. 12

13 Obr

14 V izolovaných potrubiach sa zohriata voda privádza do izolovanej základovej dosky (akumulátor zásobník tepla), a to do jadra akumulátora pri vysokých teplotách alebo do stredných a okrajových zón akumulátora pri nižších teplotách (obr. 3.1). Od zhora izolovanej základovej dosky teplo prechádza do pôdy, kde sa ukladá. Na zniženie bočných tepelných strát -teda na obmedzenie tepla unikajúceho do atmosféry -sa okolo pôdorysu budovy pokladá do pôdy tepelná izolácia (styroduralebo perimeter). V prípade potreby sa teplom uloženým v zemnom zásobníku zohreje voda v potrubiach v základovej doske, ktorá sa ďalej dostáva do teplotnej bariéry vonkajších stien, kde sa ochladzuje a následne ochladená je späť dopravovanádo základovej dosky akumulátora tepla. Mnohými meraniami sa na budovách zhotovených Terra-Soltechnológiou zistilo, že teplota vody v potrubiach v základovej doske predtým, ako sa privádza do vonkajších stien, dosahuje teplotu 18 C -20 C; pritom teplota pôdy pod základovou doskou dosahuje cca 20 C až 22 C. Väčšie teploty sa v pôde nedosahujú, aj keď sa docielia zvlášť vysoké absorbčné výkony. Namiesto zvýšenia teploty sa zväčšuje objem zemného zásobníka. Skúsenosťami za niekoľko desaťročí sa zistilo, že pri využití všetkých strešných plôch ako absorpčných plôch je k dispozícii oveľa viac tepelnej energie ako je potrebné. 14

15 4. Energeticky pasívny dom Typový Typový panelový energeticky pasívny dom IDA I. je situovaný do areálu Panelárne Vrakuňa na Ráztočnej ulici 59 v Bratislave. Jedná sa o dvojpodlažnú budovu sprízemím a podkrovím. Daný objekt bude slúžiť ako administratívna budova a taktiež ako experimentálny objekt na vedecko-výskumné účely Panelárne v spolupráci so Stavebnou fakultou, STU vbratislave. panelový dom IDA I. 15

16 4.1 Vstupné údaje Tabuľka č.4.1 Klimatické údaje v zmysle STN EN : P.č Klimatické údaje Výpočtová vonkajšia teplota Výpočtová vnútorná teplota Intenzita výmeny vzduchu Nadmorská výška Teplotná oblasť Veternáoblasť Počet vykurovacích dní Priemerná ročná vonkajšia teplota Priemerná vonkajšia teplota počas vykurovacej sezóny Hodnota -11,00 20,00 0,50 142, ,00 9,90 4,00 Fyzikálna jednotka C C 1/h m n.m. - - deň C C 10 Vnútorná teplota počas útlmu 15,00 C 16

17 4.2 Energetická bilancia Tabuľka č.4.2 Výsledky energetickej bilancie stavebného objektu: P.č. Údaje energetickej bilancie stavebného objektu: 1 Priemerný súčiniteľ prechodu tepla pre klasický RD 2 Priemerný súčiniteľ prechodu tepla pre pasívny RD 3 Tepelná strata ventranímpre klasický RD 4 Tepelná strata ventranímpre pasívny RD (SZT = 85 %) 5 Projektovaný tepelný príkon pre klasický RD v zmysle STN EN Projektovaný tepelný príkon pre pasívny RD v zmysle STN EN Merná tepelná strata obostavaného priestoru klasického RD 8 Merná tepelná strata obostavaného priestoru pasívneho RD 9 Merná tepelná strata vykurovaného priestoru klasického RD 10 Merná tepelná strata vykur.priestoru pasívneho RD 11 Merný výpočtový príkon tepla pre vykurovanie a vetranie pre klasický RD 12 Merný výpočtový príkon tepla pre vykurovanie a vetranie pre pasívny RD Hodnota 0,43 0, ,7 5,00 16,4 6,9 35,6 15,0 Fyzikálna jednotka W/(m 2.K) W/(m 2.K) W W W W W/m 3 W/m 3 W/m 3 W/m 3 W/m 2 W/m 2 17

18 4.3 Ročná potreba tepla a energie na vykurovanie Tabuľka č.4.3 Ročná potreba tepla a energie na vykurovanie klasického a EPD Potreba tepla na vykurovanie v GJ/rok Klasický dom 63,80 EPD 16,89 Potreba tepla na vykurovanie v kwh/rok Klasický dom ,49 EPD 4 692,55 Potreba energie na vykurovanie v kwh/rok Klasický dom ,47 EPD ,32 18

19 4.4 Merné potreby tepla Tabuľka č.4.4 Merné potreby tepla klasického a EPD Klasický dom Merná potreba tepla E 1, E 2 E 1 EPD Klasický dom E 2 EPD Faktor tvaru budovy FTB Normová merná potreba tepla E 1,N E 2,N kwh/(m 3.rok) kwh/(m 3.rok) kwh/(m 2.rok) kwh/(m 2.rok) - kwh/(m 3.rok) kwh/(m 2.rok) 21,09 5,58 56,30 14,91 0,69 28,10 78,60 19

20 4.5 Stupeň potreby tepla Tabuľka č.4.5 Stupeň potreby tepla na vykurovanie a klasifikácia objektu z hľadiska SPT SPT - stupeň potreby tepla na vykurovanie v % Klasifikácia objektu z hľadiska SPT - stupňa potreby tepla na vykurovanie Klasický dom EPD Kalsický dom EPD 75,04 19,87 B - úsporná A-veľmiúsporná 20

21 4.6 Realizácia Výstavba typového panelového domu IDA I. začala vauguste Po vytýčení stavby sa začalo výkopmi pre zemný výmenník tepla rúra v rúre, obr.4.1. Zemný výmenník tepla sa vyrábal priamo na stavbe znerezovej pásky, obr.4.2, aukladal do pieskového lôžka, obr.4.3. Po uložení azasypanízemného výmenníka tepla sa vybetónovali základovépásy EPD, obr.4.4. Nasledným krokom bolo uloženie a zasypanie potrubného systému pre rozvody vzduchu do pieskového lôžka, obr

22 Obr.4.1 Výkop pre zemný výmenník k tepla Obr.4.2 Výroba nerezového výmenníka tepla Obr.4.3 Uloženie a zásyp z výmenníka tepla Obr.4.4 Debnenie a betonáž základov 22

23 Po položení oceľovej kari siete boli vytvorené2 okruhy zemného zásobníka tepla (2 x 150 m), obr.6, ktorébudú odovzdávať a akumulovať teplo do okolitej zeminy po prepojení senergetickou strechou cez výmenník tepla. Taktiež bol vytvorený okruh predohrevutv dĺžky 80 m. Pred betonážouzákladovej dosky bol vytvorený tretí akumulačný okruh (200 m), obr.7, ktorý bude odovzdávať aakumulovať teplo do základovej dosky po prepojení senergetickou strechou cez výmenník tepla. Ďalším krokom bola montážtypového panelového domu IDA I., obr.8. 23

24 Obr.4.5 Uloženie rozvodov vzduchu Obr.4.6 Okruhy v zemnom zásobnz sobníku tepla Obr.4.7 Betonáž základovej dosky Obr.4.8 Montáž panelového domu IDA I. 24

25 Po ukončení montáže panelov sa v marci 2006 začala realizácia dreveného krovu, obr Pred uložením krytiny boli vytvorenéokruhy energetickej strechy, obr Po zakrytí strechy sa začali práce na energetických systémoch v interiéri EPD. Ako prvésa prepojili okruhy stenového vykurovania/chladenia, TB, obr.4.11 aobr Potom sa uložili vduchotechnické potrubia rozmerov 200x50 mm do tepelnej izolácie vpodlahe, obr.4.13 aobr Vzápätísa inštalovali okruhy nízkoteplotnéhoveľkoplošného podlahového vykurovania, obr.4.15, azrealizoval sa betónový poter, obr

26 Obr.4.9 Montáž krovu Obr.4.10 Montáž okruhov energetickej strechy Obr.4.11 Okruhy tepelnej bariéry ry v stenách Obr.4.12 Rozdeľova ovač okruhov TB 26

27 Obr.4.13 Montáž VZT potrubí Obr.4.14 Izolácia VZT potrubí Obr.4.15 Okruhy podlahového vykurovania Obr.4.16 Realizácia poterov 27

28 Zhľadiska funkčnosti navrhovaného energeticky pasívneho stavebného objektu, typového panelového domu IDA I. je najdôležitejšia realizácia strojovne energetických systémov avyregulovanie jednotlivých energetických systémov, obr.4.17 aobr Na dennúakumuláciu tepla slúži stojatý zásobník tepla 600/150 litorv, kde 450 litrov ohriatej vody slúži na vykurovanie a150 litrov je TV, obr Zároveň tento zásobník slúži ako doplnkový zdroj tepla s elektrickým dohrevom. Zhľadiska tepelno-technického je dôležitézateplenie obvodových stien astrechy, obr

29 Obr.4.17 Okruhy energetických systémov Obr.4.18 Strojovňa a energetických systémov Obr.4.15 Stojatý zásobnz sobník k tepla 600/150 Obr.4.16 Zateplenie panelového domu IDA I. 29

30 5. ZáverZ Pri koncipovanízáverov sme zohľadnili nasledovné východiská: Porovnanie investičných nákladov na výstavbu energeticky pasívnych domov aklasických domov je možné iba za predpokladu porovnateľného štandardu technického vybavenia akomfortu (vykurovanie, chladenie avetranie). Vopačnom prípade by boli síce investičnénáklady na energeticky pasívne domy rádovo vyššie, ale štandart technického vybavenia a komfortu vklasických domoch by bol nezrovnateľne nižší. Predpokladané investičné náklady boli kalkulované na základe cenníkov platných od januára 2006 metódou podľa indexov na m3 vykurovaného priestoru a indexov na m2 užitkovej plochy. Investičnénáklady na energeticky pasívne domy súvo všeobecnosti oproti klasickým domov s porovnateľným štandartomkomfortu cca 10 až 15 % vyššie. Investičnénáklady na energeticky pasívny dom IDA I. súoproti klasickým domom s porovnateľným štandartom komfortu cca 1 až 6 % vyššie. 30

31 Investičnéúspory na výstavbu energeticky pasívnych domov technológiou IDA I. oproti iným technológiamvýstavby energeticky pasívnýchdomov vyplývajúzunifikácie aprefabrikácie stavebných dielcov, kratšej doby výstavby, jednoduchosti výstavby, dokonalého využitia solárnej a geotermickejenergie bez dodatkového zdroja tepla achladu, výstavby z nízkonákladovýchstavebných materiálov, využitia nízkonákladovýchtechnológií na vykurovanie, chladenie a vetranie. V analýze ročných prevádzkových nákladov na palivo a energie neuvažujeme s potrebou elektrickej energie potrebnej kdistribúcií teplonosnej, prípadne chladiacej látky (čerpadláa ventilátory), vzhľadom na nízke príkony týchto zariadení, a zároveň približne rovnakúenergetickúnáročnosť všetkých posudzovaných alteranatív. Prevádzkové náklady na chod čerpadiel a ventilátorov súvporovnaní sprevádzkovými nákladmi na výrobu tepla achladu planoautomatickýmkotlom, tepelným čerpadlom aklimatizačnými jednotkami zanedbateľné apredstavujucca 10 až 15 % (t.j. cca =5.000,- až 8.000,-SKK za rok) z týchto nákladov. Ztohto hľadiska môžeme konštatovať, že energeticky pasívny dom IDA I. má nulovú ročnú spotrebu paliva a nulové prevádzkové náklady na palivo. 31

32 Na základe analýzy je možnékonštatovať, že návratnosť investícií na výstavbu energeticky pasívneho domu IDA I. v porovnaní sklasickými domami sporovnateľným štandardom komfortu (vykurovanie, chladenie a vetranie) je približne 1 až 4 roky pri súčasných cenách za palivá aenergie. Vprípade, že komfort klasických RD by bol nižší, t.j. iba jednoduché vykurovanie kotlom skonvekčnýmivykurovacími telesami, bez vetrania achladenia, bola by návratnosť investícií energeticky pasívneho domu IDA I. pri súčasných cenách cca 10 rokov. Technológia energeticky pasívneho domu IDA I. dokonale využíva solárnu ageotermickú energiu bez dodatkového zdroja tepla čo v konečnej miere znamená, že zdroj tepla nevyžaduje opravy, servisné arevízne prehliadky avpodsatate má neobmedzenú životnosť bez vedľajších výdavkov. Realizácie energeticky pasívnych domov v celom svete vykazujú prezentované energetické iekonomickéúspory, a taktiež komfort bývania vzdravom hygienicky nezávadnom prostredí. Vzhľadom na stále rastúce ceny palív a energie, ataktiež stále viac a viac zdevastované životnéprostredie je možnépovažovať energeticky pasívne domy za jedinúsprávnu cestu a smerovanie v stavebníctve. Možnosť doplnenia energeticky pasívnych domov ofotovoltaickú techniku, atým si vytvoriť energetickú sebestačnosť, tzv. plusovédomy, nie sú iba fikcia ale realita, na ktorú by sme si mali v čo najkratšej dobe zvyknúť apripraviť cestu na jej realizáciu. 32

33 6. Literatúra 1. PETRÁŠ, D. akol.: Nízkoteplotnévykurovanie aobnoviteľné zdroje energie, Bratislava: Jaga, CIHELKA, J.: Solárnítepelná technika, Praha: NakladatelstvíT. Malina, LULKOVIČOVÁ, O. akol.: Zdroje tepla akotolne, Bratislava: Jaga, HYKŠ, P., HRAŠKA, J.: Slnečnéžiarenie abudovy, Bratislava: Alfa, CHMÚRNY, I.: Tepelnáochrana budov, Bratislava: Jaga, NAGY, E.: Nízkoenergetický dom, Bratislava, Jaga, TYWONIAK, J.: Hodnocenístrategií nízkoenergetickéhostavění. In: Sborník ze 4. mezinárodníkonferencetepelná ochrana budov ČeskéBudějovice: 2002, s KALÚS, D.: Využitiesolárnej a geotermickej energie na vykurovanie avetranie rodinných domov. In: Zborník zmedzinárodnej konferencie Vnútornáklíma budov Vysoké Tatry, KALÚS, D. akol.: Návrh energeticky pasívneho domu s využitím solárnej a geotermickej energie, Metodika návrhu energeticky pasívneho domu, HZ , I.etapa, Bratislava, 2005, 98 str. 10. KALÚS, D. akol.: Posúdenie tepelno-pohodovéhostavu vexperimentálnom energeticky pasívnom dome IDA I., Metodika posudzovania tepelno-pohodovéhostavu, HZ , I.etapa, Bratislava, 2005, 83 str