ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE. Diplomová práca

Transcript

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Diplomová práca 2006 Simona Vaňková

2 DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko a meno: VAŇKOVÁ Simona Rok: Názov diplomovej práce: Nízkoenergetický dom 2 3 Fakulta: elektrotechnická Katedra: výkonových elektrotechnických systémov Počet strán: 62 Počet obrázkov: 12 Počet tabuliek: 29 Počet grafov: 0 Počet príloh: 2 Počet použitých literatúr: 13 Anotácia: Táto diplomová práca sa zaoberá problematikou rekonštrukcie existujúcej budovy na budovu s nízkou energetickou spotrebou. Návrh dodatočných rekonštrukčných opatrení je robený na základe výpočtu tepelných strát a ziskov budovy podľa normy. Výsledkom práce je komplexný návrh rekonštrukcie z hľadiska zefektívnenia energetickej náročnosti prevádzky budovy a vyčíslenie nákladov. Annotation: In my graduation thesis is described themes of reconstruction of present building. Design of additional modifications for house with less energy losses is made in according with standards and thermal equations. Result of this work is complex project of reconstruction, cut-down losses, energy frugality and calculation of costs. Kľúčové slová: nízkoenergetický dom, solárny kolektor, TÚV, tepelná izolácia, tepelné straty, tepelné zisky Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Milan NOVÁK, PhD. Recenzent diplomovej práce: Konzultant diplomovej práce: Dátum odovzdania diplomovej práce:

3 Zoznam skratiek a symbolov A' (m 2 ) plocha celková počítanej časti pri výpočte tepelnej straty A 0 (m 2 ) plocha otvorov pri výpočte tepelnej straty A (m 2 ) rozdiel plôch A' a A 0 A op (m 2 ) plocha zasklenia pri výpočte tepelných ziskov A J (m 2 ) plocha použitého južného okna A s (m 2 ) plocha ktorú chceme izolovať A SJ (m 2 ) plocha skla použitého južného okna A S (m 2 ) plocha použitého severného okna A SS (m 2 ) plocha skla použitého severného okna A V (m 2 ) plocha použitého východného okna A SV (m 2 ) plocha skla použitého východného okna A Z (m 2 ) plocha použitého západného okna A SZ (m 2 ) plocha skla použitého západného okna c m (-) činiteľ využitia slnečného žiarenia c n (-) činiteľ dopadu slnečného žiarenia c V (J kg -1 K -1 ) merné tepelná kapacita vzduchu d i (m) hrúbka jednotlivých materiálov D (-) počet deňstupňov E gm (kw h mes -1 m -1 ) globálne slnečné žiarenie za mesiac i LV (m 3 m -1 s -1 Pa -0,67 ) koeficient prievzdušnosti i LVD (m 3 m -1 s -1 Pa -0,67 ) koeficient prievzdušnosti dverí i LVO (m 3 m -1 s -1 Pa -0,67 ) koeficient prievzdušnosti okna L (m) súčet dĺžok cez ktoré môže vzduch prechádzať M (-) charakteristika miestnosti NED nízkoenergetický dom n 0 (-) počet otvorov v ploche pri výpočte tepelnej straty n min (h -1 ) minimálna intenzita výmeny vzduchu n 50 (h -1 ) intenzita výmeny vzduchu pri tlakovom rozdiele 50 Pa n J (-) počet okien na južnej stene n S (-) počet okien na severnej stene n V (-) počet okien na východnej stene n Z (-) počet okien na západnej stene

4 P (m) obvod podlahy P L (W) tepelný výkon obyvateľov P M (W) tepelný výkon muža P Z (W) tepelný výkon ženy p 1 (-) prirážka na vyrovnanie vplyvu chladných konštrukcií p 2 (-) prirážka na urýchlenie vykúrenia domu p 3 (-) prirážka na svetovú stranu Q (W) maximálna tepelné strata prestupom a vetraním Q 0 (W) celková tepelná strata prestupom s prirážkou p3 Q 0J (W) tepelná strata prestupom južnej steny s prirážkou p3 Q 0J (W) čiastkové tepelné straty prestupom južnej steny Q vj (W) tepelná strata vetraním južnej steny Q 0S (W) tepelná strata prestupom severnej steny s prirážkou p3 Q 0S (W) čiastkové tepelné straty prestupom severnej steny Q vs (W) tepelná strata vetraním severnej steny Q 0Z (W) tepelná strata prestupom západnej steny s prirážkou p3 Q 0Z (W) čiastkové tepelné straty prestupom západnej steny Q vz (W) tepelná strata vetraním západnej steny Q 0V (W) tepelná strata prestupom východnej steny s prirážkou p3 Q 0V (W) čiastkové tepelné straty prestupom východnej steny Q vv (W) tepelná strata vetraním východnej steny Q 0PS (W) tepelná strata prestupom podlahy a stropu s prirážkou p3 Q 0PS (W) čiastkové tepelné straty prestupom podlahy a stropu Q P (W) celkové straty prestupom vrátane prirážok p 1, p 2 a p 3 Q v (W) straty vetraním počítanej časti Q vd (W) dodatočná straty vetraním Q vh (W) celkové straty prirodzeným vetraním Q VO (kw h) celkové tepelná energia potrebná cez vykurovacie obdobie Q VO (kw h) celkové tepelná energia potrebná cez vykurovacie obdobie po odčítaní tepelných ziskov Q Zm (kw h mes -1 ) priemerný solárny tepelný zisk za mesiac R se (m 2 K W -1 ) odpor pri prestupe tepla na vonkajšej strane konštrukcie R si (m 2 K W -1 ) odpor pri prestupe tepla na vnútornej strane konštrukcie R SM (m 2 K W -1 ) tepelný odpor materiálu obvodovej steny

5 s (-) tieniaci súčiniteľ pri výpočte solárnych ziskov S (m 2 ) podlahová plocha domu S PD (m 2 ) zastavaná plocha domu t e ( C) priemerná teplota vo vykurovacom období t em ( C) vonkajšia najnižšia výpočtová teplota t i ( C) vnútorná výpočtová teplota t m ( C) súčtová teplota miestnosti t v ( C) teplota vzduchu t p ( C) priemerná teplota vnútorných plôch miestnosti T (-) celková priepustnosť skla T 1 (-) priepustnosť slnečného žiarenia T 2 (-) koeficient znečistenia skla T 3 (-) činiteľ zasklenia TČ tepelné čerpadlo TOE tona ekvivalentného oleja TÚV teplá úžitková voda U (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť U 1 (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť obvodovej steny U 2 (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť stropu U 3 (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť podlahy U C (W m -2 K -1 ) celková tepelná vodivosť U O (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť okien U D (W m -2 K -1 ) tepelná vodivosť dverí v (m) výška budovy V VH (m 3 h -1 ) objem vzduchu, ktorý sa vymení za hodinu V Vmin (m 3 h -1 ) min. objem vzduchu ktorý sa musí vymeniť za hodinu V m (m 3 ) objem budovy V VD (m 3 h - ) objem vzduchu, ktorý sa musí ešte dodatočne vymeniť λ i (W m -1 K -1 ) merná tepelná vodivosť materiálov λ D (W m -1 K -1 ) súčiniteľ tepelnej vodivosti dverí β (Pa 0,67 ) charakteristické číslo budovy ε (-) súčiniteľ zohľadňujúci nesúčasnosť vplyvov ρ V (kg m -3 ) hustota vzduchu

6 Obsah Zoznam skratiek a symbolov... 6 Úvod Problematika nízkoenergetického domu, podmienky, úspory energie, ekológia Nízkoenergetické rodinné domy Úspory energie Ekológia Technická a ekonomická analýza energetickej náročnosti rodinného domu Základné parametre rodinného domu Určenie tepelnej vodivosti stavebných častí a variantné výpočty Vonkajšia obvodová stena Strop Podlaha Typ okien a vonkajších dverí Energetická náročnosť prevádzky rodinného domu Výpočet tepelnej straty podľa STN Tepelné zisky Solárne zisky oknami Tepelné zisky od zariadení v dome Tepelné zisky od obyvateľov domu Odčítanie tepelných ziskov od tepelných strát a bilancia spotreby tepelnej energie na kúrenie Aplikácia zásad projektovania nízkoenergetického domu na rodinný dom Tepelná izolácia Rozdelenie tepelných izolácií Oblasti použitia tepelných izolácií Dôvody zatepľovania obvodových stien Slnečná energia Pasívne využitie slnečnej energie Pasívne solárne systémy Aktívne využitie slnečnej energie Slnečné kolektory Solárne články Tepelné čerpadlá Mechanické vetranie s rekuperáciou tepla Nízkoteplotný vykurovací systém Návrh opatrení Určenie dodatočnej izolácie pre obálku budovy Pasívne a aktívne využitie slnečnej energie Nízkoteplotný vykurovací systém Technicko-ekonomické vyhodnotenie zvoleného riešenia Technické vyhodnotenie zvoleného riešenia... 52

7 6.2. Ekonomické vyhodnotenie zvoleného riešenia Záver Zoznam použitej literatúry Zoznam príloh... 62

8 4 Úvod Už celé storočia ľudia používali energiu na zabezpečenie tepla, svetla a varenie jedla v ich príbytkoch. Energia bola zvyčajne získavaná z ohňa, pálením dreva, oleja alebo sviečok. Neskôr boli skonštruované výkonné elektrické generátory, ktoré dodnes dodávajú elektrickú energiu elektrickým spotrebičom takmer po celom svete. Elektrická energia je často vhodnejší zdroj energie pretože môže byť použitá na premenu na všetky druhy energie. Od tepelnej cez mechanickú, elektromagnetickú až po chladiacu. Takmer všetky aj bez nášho vedomia používame v našich príbytkoch. Či už je to žiarovka, magnetofón, televízor, chladnička alebo mikrovlná rúra. Energetické nároky na náš pohodlný život stále rastú a približne 90 % zdrojov na výrobu elektrickej energie sú zdroje vyčerpateľné. Každý z nás si začína uvedomovať ako sa zásoby fosílnych palív na našej planéte vyčerpávajú, zatiaľ čo využitie obnoviteľných zdrojov je iba v začiatkoch. Stále viac je počuť o potrebe šetrenia elektrickou energiou a o ohľaduplnosti k životnému prostrediu. V neposlednom rade je to stále rastúca cena za elektrinu. Každý z nás môže prispieť k tomu, aby sme žili a bývali ekologicky, aby sme chránili svoje životné prostredie a zároveň ušetrili. Cieľom mojej diplomovej práce je analýza energetickej náročnosti rodinného domu. Aké stavebné materiály a v akých rozmeroch sú použité, aké druhy energie a v akej miere sú spotrebúvané. V práci by som sa ďalej chcela venovať výpočtom tepelných strát a návrhom riešenia na ich zníženie. Aplikovať opatrenia, ktoré sú potrebné pre dosiahnutie parametrov nízkoenergetického domu a zvážiť či sú tieto opatrenia ekonomicky výhodné. 1. Problematika nízkoenergetického domu, podmienky, úspory energie, ekológia Posledné desaťročia sa dostáva do povedomia ľudstva výraz ekoenergia. Vzniká veľa hnutí, ktoré bojujú proti výrobe energie v jadrových, tepelných, dokonca aj vodných elektrárňach. Často počujeme o alternatívnych zdrojoch energie a ich neobmedzených a nevyčerpateľných možnostiach využívania. Ale pravda je tiež taká, že ak by sme chceli vyrábať energiu týmto spôsobom, boli by zastavané obrovské plochy pôdy a ekonomicky by to bolo pre ľudstvo nevýhodné. Nastáva teda otázka: Ako sa dá skĺbiť ekológia s ekonómiou tak, aby sme mohli mať z toho osoh, a nie len dobrý pocit. Jeden zo spôsobov riešenia by mohol byť nízkoenergetický dom (NED).

9 4.1.1 Charakteristika vnútornej klímy v NED Tepelná pohoda - miestnosti majú vzhľadom na ich spôsob využitia optimálne zvolenú stabilnú teplotu, ktorá má vo vertikálnom smere takmer rovnomerný priebeh. Pohyb vzduchu - nevzniká prievan a pocit chladu z prúdenia vzduchu. Kvalita a vlhkosť vzduchu - riadeným vetraním sa zabezpečuje odvedenie vlhkosti a stály prívod čerstvého vzduchu. Bezprašnosť - nízkou rýchlosťou pohybu vzduchu nevzniká prašnosť. Osvetlenie - vďaka väčšiemu preskleniu okien je zabezpečené dostatočné presvetlenie interiéru. Psychologická pohoda - pocit pohody umocňujú použité prírodné materiály. Škodliviny zo stavebných materiálov - sú vylúčené dôsledným výberom neškodných materiálov. Škodlivé žiarenia - eliminácia pôsobenia rôznych žiarení (pozemské žiarenie, elektrosmog,..) už v návrhu domu. 1.1 Nízkoenergetické rodinné domy Pojem nízkoenergetický dom nie je u nás už neznámy pojem, ide o bývanie s nízkou spotrebou energie. Ide o progresívne riešené rodinné domy, s kvalitnou termoizoláciou a teda s nízkymi prevádzkovými nákladmi, čo je výhodné najmä v čase neustáleho nárastu cien energií. Aj v takýchto domoch je potrebné vykurovanie ústredným kotlom, lenže úspora nákladov na kúrenie a klimatizáciu je štyridsať až päťdesiat percent. To znamená, že vynaložené peniaze na stavbu takéhoto domu sa veľmi rýchlo vrátia, systém vykurovania zabezpečí pohodu v interiéri podľa momentálnych požiadaviek. Za nízkoenergetický dom sa pokladá taký, ktorého spotreba za rok na vykurovanie je nižšia ako päťdesiat kwh na meter štvorcový vykurovanej podlahovej plochy. Problematiku nízkoenergetického domu nemôžeme zúžiť len na charakteristické prvky, akými sú energetické úspory, výber ekologicky vhodných stavebných materiálov alebo tvorba zdravej vnútornej klímy. Nízkoenergetický dom by mal v plnej miere vyhovovať popri škále všeobecných požiadaviek a nárokov kladených na budovy aj špecifickým požiadavkám, akými sú napr. efektívny spôsob výstavby pri použití optimálnych stavebných materiálov, technických prvkov a najmodernejších šetrných technológií, ako aj trvanlivosť a bezporuchovosť stavebných konštrukcií, zhodnotenie vložených investícií a v neposlednom rade ohľaduplnosť k prostrediu. 4.2 Tri dôvody, prečo sa rozhodnúť pre nízkoenergetický ekologický dom: 1.) zabezpečenie optimálnej, zdravotne neškodnej vnútornej klímy, vyššia kvalita bývania, 2.) nízke prevádzkové náklady,

10 3.) priaznivý vplyv na životné prostredie a maximálne zníženie nepriaznivých vplyvov na životné prostredie. 4.3 Zásady pre návrh nízkoenergetického domu 5 1.) Navrhnutie budovy v súlade s okolitým prostredím Zvoliť kompaktnú stavebnú formu, umiestniť budovu s ohľadom na miestnu klímu, tvar terénu, vegetáciu, orientáciu na svetové strany a spôsob okolitej zástavby. 6 2.) Využitie slnečného žiarenia Použitie primerane veľkých južne orientovaných okien, využitie transparentných tepelných izolácií, prípadne zriadenie zimnej záhrady. Dôležitým opatrením je akumulácia pasívnych energetických ziskov a letná tepelná ochrana (tienenie) proti prehrievaniu budovy. 7 3.) Zvýšenie tepelnej ochrany budovy Realizácia veľkého tepelnoizolačného štandardu a zabránenie vzniknutiu tepelných mostov. 8 4.) Využitie riadeného vetrania a zabezpečenie vzduchotesnosti obalových konštrukcií Riadené vetranie zabezpečuje potrebný prísun čerstvého vzduchu v požadovanej kvalite s minimálnymi energetickými stratami, pretože časť tepla odvádzaného vzduchu sa dá spätne využiť. Pre zamedzenie energetických strát je dôležité vyhotovenie vzduchotesných stien a strechy. 9 5.) Zvoliť optimálny zdroj na pokrytie zvyškovej potreby tepla Využitie obnoviteľných zdrojov tepla. Nízkoenergetické domy majú nízku spotrebu tepla a vystačia so zariadeniami s menším výkonom (napr. tepelné čerpadlá), prípadne s malým množstvom paliva (napr. drevo) ) Zvoliť nízkoteplotný vykurovací systém pre distribúciu tepla, zvoliť energeticky úspornú výrobu teplej vody Nízke teploty vykurovacích médií vedú k menším tepelným stratám, to platí pre distribúciu aj pre prípravu tepla. Použitie aktívneho solárneho zariadenia (solárne kolektory), alebo tepelné čerpadlá. 7.) Správne "používanie" domu, využívanie energeticky úsporných spotrebičov Pre optimálnu prevádzku je nevyhnutné správne nastavenie technických zariadení pre dennú a nočnú prevádzku, a pre rôzne ročné obdobia. 1.2 Úspory energie

11 Tab Porovnanie energetickej spotreby a potrebného úpravy pre jej dosiahnutie Typ domu Energetická spotreba (kwh m Opatrenia za rok) Bežný dom zvýšenie tepelnoizolačných hodnôt obvodového plášťa Energeticky úsporný dom cielené využitie pasívnych solárnych prvkov využitie aktívnych solárnych prvkov úsporný konvenčný vykurovací systém. použitie vysokokvalitnej tepelnej izolácie plášťa Nízkoenergetický dom Energeticky pasívny dom Ekológia pasívne aj aktívne využitie slnečnej energie mechanické vetranie s rekuperáciou tepla nízkoteplotný vykurovací systém dokonalý obal budovy pasívne aj aktívne využitie slnečnej energie mechanické vetranie s rekuperáciou tepla bez konvenčného vykurovacieho systému Globálne otepľovanie a klimatické zmeny, ku ktorým dochádza, spôsobil človek vytvorením skleníkového efektu. Spaľovaním fosílnych zdrojov energie, odlesňovaním, vysušovaním povrchu Zeme a intenzívnou poľnohospodárskou a živočíšnou produkciou sa dostáva do atmosféry veľké množstvo plynov, ktoré celkovo spôsobujú, že sa okrem iných dôsledkov počas nasledujúcich rokov bude zvyšovať teplota vzduchu na Zemi a následkom toho vzrastie hladina morí. To bude mať ďalekosiahly dopad na všetkých obyvateľov planéty. K zhoršovaniu stavu životného prostredia prispieva svojou mierou aj stavebníctvo: - vyčerpávaním neobnoviteľných zdrojov energie, nadmernou ťažbou niektorých obnoviteľných zdrojov energie a stavebných surovín (vplyv na ekosystém, zmena charakteru krajiny), - lokálnym znehodnotením prostredia (hluk, emisie,...), - zaberaním vysokohodnotnej pôdy a zelene. Budovy sú produktom stavebnej činnosti človeka, ich hlavnou úlohou je ochrana pred klimatickými zmenami, t. j. pred teplom, chladom, dažďom atď. Ich úlohou je tiež zabezpečiť pre zdravie a pohodu človeka okrem primeraného priestoru s estetickými kvalitami aj pocit bezpečia a optimálne

12 hygienické podmienky vnútornej klímy. Súčasné budovy mnohé z týchto úloh nedokážu splniť bez dodania neúmerne vysokého množstva energie. Nízkoenergetický dom spája a optimalizuje obytný komfort, kvalitu stavebných konštrukcií, energetickú a finančnú úspornosť a ochranu životného prostredia [3].

13 2. Technická a ekonomická analýza energetickej náročnosti rodinného domu 2.1 Základné parametre rodinného domu Je to samostatne stojaci celopodpivničeny dvojpodlažný rodinný dom v oblasti Žiliny. Má sedem obytných miestností a veľkú samostatnú chodbu. podlahová plocha domu S 160,7 m 2, zastavaná plocha domu S PD 114,24 m 2, vonkajšia výpočtová teplota (oblasť Žiliny) t em - 18 C, vnútorná výpočtová teplota t i + 21 C, výpočtová teplota pivnice t p + 12 C, priemerná teplota vo vykurovacom období t e 3,7 C, plocha použitého južného okna 1,8x1,35 A J1 2,34 m 2, z toho plocha skla A SJ1 1,39 m 2, počet okien na južnej stene n J 4, plocha použitého západného okna 1,8x1,35 A Z1 2,34 m 2, z toho plocha skla A SZ1 1,39 m 2, počet okien na západnej stene n Z 4, plocha použitého východného okna 1,3x1,35 A V1 1,755 m 2, z toho plocha skla A SV1 1,08 m 2, počet okien na východnej stene n V 2, plocha použitého severného okna 1,2x1,35 A S1 1,62 m 2, z toho plocha skla A SS1 0,93 m 2, plocha použitého severného okna 0,6x0,9 A S2 0,54 m 2, z toho plocha skla A SS2 0,22 m 2, počet okien na severnej stene n S 8, priepustnosť slnečného žiarenia (dve sklá) T 1 0,81, koeficient znečistenia skla T 2 0,9, činiteľ zasklenia (dvojité sklo) T 3 0,9, činiteľ dopadu slnečného žiarenia c n 0,9, koeficient prievzdušnosti okna i LVO 0,21 m 3 m -1 s -1 Pa -0,67, koeficient prievzdušnosti dverí i LVD 0.21 m 3 m -1 s -1 Pa -0,67,

14 merná tepelná vodivosť dverí λ D 2,5 W m -1 K -1, výška budovy v 7,4 m, obvod podlahy P 37,55 m, charakteristické číslo budovy β 8 Pa 0,67, Počet deňstupňov pre oblasť Žiliny D Výpočet tepelných strát som robila podľa normy STN [5]. Počítala som iba tepelné straty prestupom cez obálku domu keďže uvažujem rovnakú výpočtovú vnútornú teplotu vo všetkých miestnostiach. 2.2 Určenie tepelnej vodivosti stavebných častí a variantné výpočty U R si 1 d + + λ R se (W m -2 K -1 ), (2.1) kde R si (m 2 K W -1 ) je odpor pri prestupe tepla na vnútornej strane konštrukcie, R se (m 2 K W -1 ) je odpor pri prestupe tepla na vonkajšej strane konštrukcie, d i (m) je hrúbka jednotlivých materiálov, λ i (W m -1 K -1 ) je merná tepelná vodivosť materiálov, R si 0,17 m 2 K W -1 (tepelný tok zhora nadol), R si 0,10 m 2 K W -1 (tepelný tok zdola nahor), R si 0,13 m 2 K W -1 (tepelný tok vodorovne), R se 0,04 m 2 K W Vonkajšia obvodová stena Obvodove murivo je prevedené z pórobetónových tvárnic o rozmeroch 30x30x40 cm. Vrstvy ktoré tvoria vonkajšiu obvodovú stenu sú: tvárnica PÓROBETÓN: d 0,40 m, λ 0,308 W m -1 K -1, vnútorná omietka: d 0,03 m, λ 0,698 W m -1 K -1, vonkajšia omietka: d 0,03 m, λ 0,872 W m -1 K -1. U 1 1 0, , 4 0, 03 0, 03 W m -2 K , , 04 0, 308 0, 698 0, 872

15 Hodnota U 1 0,6468 W m -2 K -1 sa dá znížiť použitím dodatočnej izolácie, pričom jej hrúbka nesmie byť ani veľmi tenká kvôli zvýšeniu strát a ani moc hrubá kvôli zbytočným investíciám [6] Strop Nad suterénom a prízemím sú stropy prevedené z prefabrikovaných betónových panelov PZD 50/450. Strop nad prvým podlažím je prevedený zo stropných drevených trámov, chranený krovom, ktorý je z drevenej konštrukcie. Zastrešenie sa uskutočnilo z pozinkovaného plechu, ktorého podklad tvorí debnenie (husté latovanie). Vrstvy ktoré tvoria strop nad prvým podlažím sú: sklená vata: d 0,20 m, λ 0,04 W m -1 K -1, betónový poter: d 0,03 m, λ 1,28 W m -1 K -1, doska vonkajšia: d 0,025 m, λ 0,41 W m -1 K -1, vzduchová medzera (hrady): d 0,18 m, λ 0,0251W m -1 K -1, doska vnútorná: d 0,025 m, λ 0,29 W m -1 K -1, vnútorná omietka(malta): d 0,02 m, λ 0,698 W m -1 K -1 1 U 0,1903 W m -2 K - 2 0,2 0,03 0,025 0,18 0,025 0,02 010, , 04 0, 04 1,28 0,41 0,0251 0,29 0,698 Z veľkosti hodnoty U 2 je zrejmé, že dodatočná izolácia je potrebná Podlaha Tepelnú vodivosť podlahy rátam pre prízemie (zároveň to je aj strop suterénu), nakoľko je suterén nevykurovaný. betónový panel(suterén, prízemie): d 0,12 m, λ 0,23 W m -1 K -1, vnútorná omietka(malta): d 0,02 m, λ 0,698 W m -1 K U , W m -2 K ,12 0,02 017, , 04 0, 23 0, Typ okien a vonkajších dverí

16 V celom dome sú použité drevené kastlové okná (dvojokná). Hodnota tepelnej vodivosti celého okna je približne U O 3,5 W m -2 K -1. Hodnotu U O budem ďalej používať pri výpočte tepelnej straty prestupom. Dvere vonkajšie Použité vchodové dvere sú drevené s vákuovým dvojsklom s koeficientom prievzdušnosti i LVD 0,21 m 3 s -1 m -1 Pa -0,67 a tepelnou vodivosťou U D 3,5 W m -2 K -1. Hodnotu U D budem ďalej používať pri výpočte tepelnej straty prestupom. 2.3 Energetická náročnosť prevádzky rodinného domu Rok Spotreba Cena (Sk) TOE kw h Plyn m ,- 1, m ,- 0, m ,- 0, El. energia kw h 15041,- 0, kw h 18406,- 0, kw h 25275,- 1, Drevo m ,- 3, m ,- 3, m ,- 3, Voda m , m , m ,- - Spotreba vody klesla kvôli napojeniu úžitkovej vody na vlastnú studňu. TOE tona ekvivalentného oleja (1 TOE J) [8].

17 11 3. Výpočet tepelnej straty podľa STN Všetky okná, ktoré sú na dome použité sa dajú otvárať preto musíme uvažovať aj straty vetraním [5]. Straty Q v vetraním sa počítajú: Q v ( i L) β M ( t t ) 1300 LV i e (W), (3.1) kde i LV (m 3 m -1 s -1 Pa -0,67 ) je súčiniteľ prievzdušnosti, L (m) je súčet dĺžok, cez ktoré môže vzduch prechádzať, β (Pa 0,67 ) je charakteristika budovy a je rovné 8 ak je budova v normálnej krajine, nechránená, M (-) je charakteristika miestnosti a je rovné 0,7 ak prievzdušnosť vnútorných dverí je väčšia ako u okien. ( 21 3,7) 109, 49 4 Q 1300 (0, ,4) 8 0,7 W, VJ kde dĺžka cez ktorú môže prúdiť vzduch pre okna na južnej stene je L 4 ((6 0,6) +(5 1,35)) 41,4 m. Podobne postupujem aj pri výpočte tepelnej straty vetraním pre vchodové dvere ( ) 24, 59 4 Q 1300 (0, ,3) 8 0,7 W. VJ Základná tepelná strata prestupom Q 0 je daná vzorcom Q ( t t ) 0 U j Aj i ej (W), (3.2) j keď j je index j-tej časti konštrukcie. Tab Tabuľka hodnôt p 3 - prirážok na svetovú stranu Svetová strana J S SZ Z V SV prirážka p 3 (-) -0,05 0,1 0,05 0 0,05 0,05

18 Tepelné straty som počítala postupne pre každú stenu zvlášť [5]. Uvádzam vzorový výpočet pre južnú stenu Q ( t t ) ( 0, ,25) + ( 3,5 9,72) + ( 3,5 3,2) U A ( ) ( 21 ( 18) ) 0 j j i emj j 1645, , , ,5 W ( 1+ ) 3409,5 ( 1 0,05) 2702, 8 0 Q0 ' p3 Q J W Tab Hodnoty výpočtu tepelnej straty južnej steny Južná stena označenie časti domu S J O J O VJ D J D VJ L (m) 11,9 1,8 41,4 1,5 9,3 v (m) 6,3 1,35-2,1 - A' (m 2 ) 74,97 2,43-3,15 - n o (-) A 0 (m 2 ) 9, A (m 2 ) 65,25 9,72-3,15 - U J (W m -2 K -1 ) 0,6468 3,5-3,5 - (t i -t em ) (K) Q 0J (W) 1645,9 1326,8-436,8 - Q vj (W) ,5 24,6 Q 0J (W) 3409,5 p 3 (-) -0,05 Q 0J (W)vrátane prirážky p3 3239,0 kde L (m) je dĺžka počítanej časti, v (m) je výška počítanej časti, A' (m 2 ) je plocha počítanej časti celková, n o A o A Q 0 (-) je počet otvorov v počítanej časti, (m 2 ) je plocha otvorov počítanej časti, (m 2 ) je plocha počítanej časti bez otvorov, (W) je celková tepelná strata prestupom s prirážkou na svetovú stranu, Q 0 (W) je tepelná strata prestupom bez prirážky na svetovú stranu, Q v (W) je tepelná strata vetraním počítanej časti.

19 Analogicky som postupovala pri výpočte všetkých stien, podlahy a stropu. Výsledky uvádzam v tabuľkách 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 a 3.6. Tab Hodnoty výpočtu tepelnej straty severnej steny Severná stena časť domu S S O SV O vsv O SM O vsm D B D vb L (m) 11,9 1,2 12,9 0,6 18 0,74 6,68 v (m) 6,3 1,35-0,9-1,03 - A' (m 2 ) 74,97 1,62-0,54-0,762 - n o (-) A 0 (m 2 ) 6, A (m 2 ) 68,49 3,24-3,24-1,524 - U (W m -2 K -1 ) 0,6468 3,5-3,5-3,5 - (t i -t em ) (K) Q 0S (W) 1727,7 442,3-442,3-208,0 - Q vs (W) ,12-47,6-17,67 Q 0S (W) 2820,3 p 3 (-) 0,1 Q 0S (W) vrátane prirážky p3 2538,3 Tab Hodnoty výpočtu tepelnej straty západnej steny Západná stena časť domu S Z O Z O vz L (m) 9,6 1,8 41,4 v (m) 6,3 1,35 - A' (m 2 ) 60,48 2,43 - n o (-) A 0 (m 2 ) 9, A (m 2 ) 50,76 9,72 - U (W m -2 K -1 ) 0,6468 3,5 - (t i -t em ) (K) Q 0Z (W) 1280,4 1326,8 - Q vz (W) ,5 Q 0Z (W) 2607,2 P 3 (-) 0 Q 0Z (W) 2607,2 Tab Hodnoty výpočtu tepelnej straty východnej steny

20 Východná stena časť domu S V O V O vv D B D vb L (m) 9,6 1,3 13,3 0,74 6,68 v (m) 6,3 1,35-1,03 - A' (m 2 ) 60,48 1,755-0,762 - n o (-) A 0 (m 2 ) 5, A (m 2 ) 55,446 3,51-1,524 - U (W m -2 K -1 ) 0,6468 3,5-3,5 - (t i -t em ) (K) Q 0V (W) 1398,6 479,1-208,0 - Q vv (W) ,2-17,67 Q 0V (W) 2085,7 p 3 (-) 0,05 Q 0V (W) 2190,0 Tab Hodnoty výpočtu tepelnej straty stropu a podlahy Strop + Podlaha časť domu podlaha Strop A (m 2 ) 80,35 80,35 U (W m -2 K -1 ) 1,315 0,1903 (t i -t em ) (K) Q 0PS (W) 4120,75 596,33 Q 0PS (W) 4717,08 Celkový súčiniteľ prestupu tepla Q0i i 3239, , , , ,08 U c 0,908 W m -2 K - A i 1. i ( t t ) 2 ( 74, , ,35) ( 21 ( 18) ) i em -1 Ak U c 0,9085 W m -2 K prirážka na vyrovnanie vplyvu chladných konštrukcií p 1 0,15 k c 0,15 0,9085 0,1363 W m -2 K -1. Prirážka p 2 je prirážka na urýchlenie vykúrenia domu a uvažuje sa 0,1. Keďže v dome je nepretržité vykurovanie nebudem ju uvažovať a teda p 2 0. Celkové straty prestupom

21 Q ( + p + ) 15291,58 ( 1+ 0, ) 17375, 82 P Q0 i 1 1 p2 W. i Celkové straty vetraním ( 2 109,5 ) + 24,6 + 34, ,6 + ( 2 17,67 ) + 35,2 395, 86 Q υ H Q Vi W, i čomu odpovedá objem vzduchu, ktorý sa vymení za jednu hodinu: 4 ( i L) M 3600 ( 0, ,66) 8 0, , 36 VVH LV β m 3 h -1. i Minimálnu výmenu vzduchu za jednu hodinu danú hygienickými požiadavkami som určila zo vzťahu nmin Vmin nmin 0,5 Vm 0,5 0,5 524,66 V V min 131,17 m 3 h -1, kde V m (m 3 ) je objem budovy, V min (m 3 ) je polovičný objem budovy, n min (h -1 ) je minimálna intenzita výmeny vzduchu a je rovná 0,5. Potrebný objem výmeny vzduchu za hodinu sa rovná V V V 131,17 63,36 67,81 m 3 h -1. VD V min VH Z objemu V VD som určila potrebný výkon na ohrev tohto vzduchu čo je vlastne dodatočná strata: ( t t ) 1,2 67, ( 21 3,6) ρv VVD cv i e Qυ D 397,23 W, kde ρ V (kg m -3 ) je hustota vzduchu, c V (J kg -1 K -1 ) je merná tepelná a kapacita vzduchu. Teda maximálna tepelné strata prestupom a vetraním je: Q QP D + Qυ QP + QυH + Qυ 17375, , , ,9 W. Spotreba tepelnej energie počas vykurovacieho obdobia Celkovú spotrebu tepla som počítala zo vzorca

22 Q' VO ε Q 24 D 10 ( t t ) i e 3, (3.3) kde Q' VO ε Q 24 D , , ( t t ) ( 21 3,7) i e ,03 kw h, ε (-) je zmenšujúci súčiniteľ, ktorý zohľadňuje nesúčasnosť hodnôt pôsobiacich na maximálnu tepelnú stratu. Uvažuje sa 0,9.

23 4. Tepelné zisky 4.1 Solárne zisky oknami Priemerný tepelný zisk sa stanový zo vzťahu: Q Zm E A T c c kw h mes -1, (4.1) gm op m n kde E gm (kw h mes -1 m -1 ) je globálne slnečné žiarenie za mesiac, uvedené v tab. 4.2, A op (m 2 ) je plocha zasklenia, T (-) je celková priepustnosť skla a stanoví sa: T T, 1 T2 T3 T 1 (-) je priepustnosť slnečného žiarenia a je rovné 0,81 pre dvojsklo, T 2 (-) je znečistenie zasklenia a je rovné 0,9, T 3 (-) je činiteľ tienenia zasklenia a rovná sa s (-) je tieniaci súčiniteľ, T 0,9 s 0,9 0,9 0,81, 3 c n (-) je činiteľ korigujúci nekolmý dopad lúčov na sklo okna uvažuje sa 0,9, c m (-) je činiteľ využitia slnečného žiarenia, uvedený v tab Tab Činiteľ využitia slnečného žiarenia c m orientácia mesiac S SV, SZ V, Z JV, JZ J X 1 0,95 0,85 0,73 0,67 XI 1 0,98 0,95 0,86 0, ,97 0,95 I ,97 0,95 II ,97 0,95 III 1 0,98 0,95 0,86 0,81 IV 1 0,95 0,85 0,73 0,67 Tab Globálne slnečné žiarenie pre rôzne mesiace E gm orientácia mesiac H S SV, SZ V, Z JV, JZ J X 52,74 10,36 14,06 32,23 57,61 71,57 XI 25,53 5,52 6,98 15,87 31,99 41,07 XII 18,62 4,03 5,09 11,18 23,86 30,95 I 23,06 5,21 6,42 15,01 32,2 41,94 II 36,75 7,26 9,55 22,21 42,17 53,31 III 76,12 15,6 23,25 48,89 76,16 89,73 IV 110,53 4,04 38,30 65,84 84,33 88,42 Potom môžem určiť solárny zisk cez južné okná pre mesiac december T T1 T2 T3 0,81 0,81 0,59049

24 Q 30,95 1,39 4 0, ,95 0,9 86,879 kw h mes -1 Zm Podobne som určila tepelné zisky aj v iných mesiacoch pre každú svetovú stranu. Výsledky sú uvedené v tabuľkách 4.3, 4.4, 4.5 a 4.6. Tab Výpočet solárnych ziskov na južnej strane Mesiac X XI XII I II III IV spolu Q qmj (kw h) 71,57 41,07 30,95 41,94 53,31 89,73 88,42 416,99 C m (-) 0,67 0,81 0,95 0,95 0,95 0,81 0,67 0,83 Q ZmJ (kw h) 141,689 98,297 86, , , , , ,045 Tab Výpočet solárnych ziskov na západnej strane Mesiac X XI XII I II III IV spolu Q qmz (kw h) 32,23 15,87 11,18 15,01 22,21 48,89 65,84 211,23 C m (-) 0,85 0, ,95 0,85 0,94286 Q ZmZ (kw h) 80,949 44,548 33,035 44,352 65, , , ,111 Tab Výpočet solárnych ziskov na východnej strane Mesiac X XI XII I II III IV spolu Q qmv (kw h) 32,23 15,87 11,18 15,01 22,21 48,89 65,84 211,23 C m (-) 0,85 0, ,95 0,85 0,94286 Q ZmV (kw h) 31,448 17,307 12,834 17,230 25,495 53,315 64, ,871 Tab Výpočet solárnych ziskov na severnej strane Mesiac X XI XII I II III IV spolu Q qms (kw h) 10,36 5,52 4,03 5,21 7,26 15,6 4,04 52,02 C m (-) 0,95 0, ,98 0,95 0,98 Q ZmS (kw h) 12,842 7,058 5,258 6,798 9,473 19,948 5,008 66,385 Celkové solárne zisky za vykurovacie obdobie získame sčítaním ziskov zo všetkých stien Q Zm Q ZmJ + Q ZmZ + Q ZmV + Q ZmS 984, , , , ,42 kw h

25 4.2 Tepelné zisky od zariadení v dome Tab Tepelná energia zo zariadení v domácnosti v kw h za vykurovacie obdobie Prístroj Staršie Dnes Najmodernejšie Chladnička Kombinovaná chladnička Mraznička Umývačka riadu Práčka Sušička Elektrický sporák Osvetlenie Televízor Ostatné Domácnosť je vybavená kombinovanou chladničkou, elektrickým sporákom, osvetlením, televízorom a ostatnými zariadeniami. Na výpočet tepelných ziskov od zariadenia berieme dnešný technologický stav, takže tepelný zisk v dome je súčtom vybraných hodnôt z tabuľky 4.7 a to je Q p 1012 kw h za vykurovacie obdobie. 4.3 Tepelné zisky od obyvateľov domu Veľkosť ziskov je veľmi závislá na aktivite človeka. Ako základ sa berie tepelný výkon muža 62 W pri mierne aktívnej práci za stolom a teplote okolia 26 C. Ak je teplota okolia iná ako 26 C, tepelný výkon muža sa počíta zo vzťahu: ( t ) P M 6,2 36 i W, (4.1) teda pri teplote 21 C je tepelný výkon muža ( 36 t ) 6,2 ( 36 21) 93 P M 6,2 W. i Tepelný výkon žien je 85 % z tepelného výkonu muža u detí je to 75 %. Počítam dvojčlennú rodinu a celkový tepelný výkon je: ( 1+ 0,85) 172, 05 P L P M + P Z 93 W, čomu zodpovedá energia za vykurovacie obdobie ak uvažujem priemernú 12 hodinovú prítomnosť osôb a počet dní 210 PL 12 d 172, QL 441,126 kw h

26 4.4 Odčítanie tepelných ziskov od tepelných strát a bilancia spotreby tepelnej energie na kúrenie Ak od celkovej spotreby tepelnej energie za vykurovacie obdobie odpočítame tepelné zisky získame skutočnú spotrebu energie na vykurovanie: Q Q Q Q Q 64425, , , ,49 kw h. VO Sm P L Z toho som určila ukazovatele a to spotrebu tepelnej energie na m 2 a m 3. Kde úžitková plocha je S 160,7 m 2 a vnútorný objem je V 433,89 m 3. ukazovateľ ( m ukazovateľ ( m 3 2 Q ) V VO Q ) S VO 61128,49 140,88 433, ,49 380,38 160,7 kw h m -3 rok -1, kw h m -2 rok -1. Keďže nízkoenergetický dom je definovaný rozmedzím hodnôt kw h m -2 rok -1 a dom ktorým sa zaoberám presahuje tieto hodnoty 8-násobne budem sa v ďalších kapitolách venovať opatreniam na zníženia tepelných strát a zvýšenie tepelných ziskov.

27 13 5. Aplikácia zásad projektovania nízkoenergetického domu na rodinný dom 5.1 Tepelná izolácia Požiadavka, ktorá je kladená na tepelnú izoláciu je odstránenie nežiadúcich tepelných strát (ziskov) a zabezpečiť požadovaný stav vnútorného prostredia. Hlavnou úlohou tepelnoizolačnej vrstvy je spomalenie odovzdávania tepla v čase. Týmto sa zmenší postup tepla do chladného exteriéru a dosiahne sa trvalé udržiavanie teploty vo vykurovanej miestnosti. Tepelnoizolačná vrstva musí zabraňovať vzniku tepelných mostov, tvorbe kondenzácie, ale predovšetkým znižuje straty energie pri vykurovaní. Tepelnú vodivosť tepelnoizolačnej vrstvy určuje druh materiálu, obsah vlhkosti, veľkosť, rozdelenie a množstvo pórov v ňom obsiahnutých. Dôležitá je aj tepelná absorpcia, schopnosť akumulovať teplo a podiel odrazu. Kondenzovanie vodných pár, ktoré prenikajú do tepelnoizolačnej vrstvy, majú za následok nasýtenie tepelnoizolačného materiálu vodou a tým značne znižujú jeho tepelnoizolačnú schopnosť. Tepelná vodivosť jednotlivých materiálov používaných pre tepelnoizolačnú vrstvu je rozličná. Výber tepelnoizolačného materiálu treba robiť nielen podľa jeho schopnosti zabezpečiť tepelnú ochranu pri rozličných vplyvoch a počas mnohých rokov využívania. Veľkú pozornosť treba venovať kondenzácii vodnej pary prenikajúcej cez konštrukciu. Princíp väčšiny tepelných izolácií je minimálnou hmotou obaliť maximálne množstvo vzduchu, s využitím skutočnosti že vzduch je lacná a vhodná izolácia. Penové plasty a všeobecne penené materiály majú takýto princíp už v názve. Napenené základné suroviny vytvárajú štruktúru buniek (viac alebo menej uzavretých), ktorých plnivom je vzduch. V prípade vláknitých materiálov jednotlivé vlákna vymedzujú priestory, v ktorých je vzduch. Tento základný rozdiel je charakterizovaný nasiakavosťou jednotlivých izolačných materiálov. Všeobecne platí, že vláknité materiály sú výrazne nasiakavejšie ako penové. Pri tepelnotechnickom navrhovaní jednotlivých konštrukcií treba dodržať normatívne hodnoty týchto kritérií: - požiadavky na najnižšiu vnútornú povrchovú teplotu, - požiadavky na spotrebu energie na vykurovanie,

28 - požiadavky na súčiniteľ prechodu tepla a na tepelný odpor konštrukcie, - požiadavky na teplotný útlm, - požiadavky na difúziu a kondenzáciu vodnej pary v stavebných konštrukciách, - požiadavky na vzduchovú priepustnosť stavebných konštrukcií, - požiadavky na tepelnú prijímavosť podlahových konštrukcií, - požiadavky na tepelnú stabilitu v zimnom období, - požiadavky na tepelnú stabilitu v letnom období Rozdelenie tepelných izolácií Tepelné izolácie rozdeľujeme na: Vláknité materiály - minerálne vlákna, - kamenné vlákna, - sklenené vlákna. Penové plasty - penový polystyrén, - penový polyuretán, - extrudovaný polystyrén, - penový polyvinylchlorid, - penový polyetylén. Minerálne materiály - dosky z penového skla, - perlitové dosky, - expandované minerálne materiály (perlit, sľuda, keramzit). Tepelné izolácie na biologickom základe - drevovláknité a drevotrieskové dosky, - korok, asfaltokorok, - recyklovaný papier, - bavlna, ľan, slama, kokosové vlákna, - ovčia vlna. Ľahčené betóny - sú to silikátové vrstvy s plnivom z ľahčeného minerálneho alebo iného materiálu. Minerálny sypaný materiál je napríklad perlit, keramzit alebo izolačný granulát (penový polystyrén) Oblasti použitia tepelných izolácií Konštrukcie, v ktorých sa používajú zabudované tepelné izolácie: Podlaha - v podlahe na teréne sa používa tepelná izolácia nad hydroizoláciou ako tepelná ochrana v podlahovej konštrukcii na teréne. Jedná sa o tepelné izolácie s väčšou objemovou hmotnosť, ktoré sú schopné preniesť zaťaženie z prevádzky podlahy.

29 Obvodové steny - tepelnoizolačné vrstvy sú pridávané na vonkajší povrch nosnej konštrukcie tak, aby sa dosahoval minimálny požadovaný tepelný odpor (viď. obr. 5.1). Obr Dodatočná tepelná izolácia na vonkajšej strane obvodnej steny Pri navrhovaní skladby vrstvených obvodových stien sa odporúča, aby sa dodržala zásada, že tepelný odpor vrstiev radených smerom z interiéru do exteriéru narastá a ich difúzny odpor sa zmenšuje (parotesné materiály sú na interiérovej strane a difúzne otvorené sú na exteriérovej strane obvodového plášťa). Rešpektovanie tejto zásady vedie k eliminácií kondenzácie vodnej pary v konštrukcii. Zatepľovanie z exteriérovej strany rozdeľujeme na kontaktný zatepľovací systém, a bezkontaktný (odvetraný) zatepľovací systém. Navrhnúť tepelnú izoláciu je možné aj z interiérovej strany (viď. obr. 5.2), ale výpočtom treba dokázať že v konštrukcii nebude kondenzovať vodná para, tento druh zatepľovania nemá akumulačnú schopnosť s porovnaním na zatepľovanie z exteriérovej strany.

30 Obr Dodatočná tepelná izolácia na vnútornej strane obvodnej steny s naznačením tepelného mostu Na ilustráciu uvádzam na obrázku 5.3. priebehy povrchových teplôt pri rôznych zhotoveniach a to bez izolácie, s dodatočnou izoláciou na vnútornej strane a dodatočnou izoláciou na vonkajšej strane. Strecha - tepelná izolácia sa nachádza v strešnom plášti v plochej alebo v šikmej streche obytného podkrovia nad parozábranou. Pre ploché strechy sa používajú tepelné izolácie väčších objemových hmotností (minerálne vlákna 150 kg m -3 ). Podľa tepelotechnickej normy STN je potrebné strechy navrhovať na tepelný odpor R 4,9 m 2 K W -1, to znamená hrúbka tepelnej izolácie cca od mm (podľa teplotechnického výpočtu) [9]. Obr Ilustračný priebeh teplôt pri jednotlivých typoch dodatočného zateplenia

31 Tepelné mosty - tepelná izolácia sa používa na zamedzenie nepriaznivých účinkov tepelných mostov. Tepelný most je také miesto v konštrukcii, ktoré spôsobuje nižšiu teplotu na vnútornom povrchu, aká je v bežnom mieste konštrukcie (napr. kúty miestností, v miestach styku stropnej konštrukcie a obvodovej steny, styk obvodovej steny a základovej konštrukcie, v miestach výplní otvorov v obvodovej stene ako okno dvere a pod. ). Tieto miesta sa potom z exteriérovej strany dopĺňajú o tepelnú izoláciu Dôvody zatepľovania obvodových stien V priemernej domácnosti sa približne 60 % z celkovej spotreby energie minie na vykurovanie. Zatepľovanie obvodových stien bytových domov a rodinných domov sa uskutočňuje zo snahy zabezpečiť technické parametre zodpovedajúce požiadavkám kladeným na stavebné konštrukcie a budovy v súčasnosti. Zabezpečenie tepelnej ochrany budovy dodatočným zatepľovaním obvodových stien má tieto zásadné priaznivé účinky: - zníženie spotreby energie na vykurovanie (aspoň o 30 %), - odstránenie hygienických nedostatkov (plesne), - vytváranie podmienok pre tepelnú pohodu v bytoch, zvýšením vnútornej povrchovej teploty, - zvýšenie tepelnej zotrvačnosti stavebných konštrukcií a spomalenie chladnutia miestností pri vykurovacej prestávke, - eliminovanie zatekania, - zamedzenie korózii výstuže v stykoch a paneloch, - zníženie vplyvu teplotného rozdielu pôsobiaceho na nosné konštrukcie. Cez steny prechádza 34 % celkových tepelných strát budov. Znižovanie spotreby energie je požiadavkou, súvisiacou s rozvojom spoločnosti, ekonomickým vývojom a racionalizáciou čerpania zdrojov palív a energie. Zvyšujúce sa ceny energií a tepla vyvolávajú potrebu znižovať tepelné straty pri vykurovaní budov zlepšovaním tepelnotechnických vlastností. Čím sú lepšie východiskové tepelnotechnické parametre pôvodných stavebných konštrukcií, tým je nižšia účinnosť dodatočnej tepelnoizolačnej vrstvy uplatnenej v rovnakej hrúbke. Pri kombinácii zatepľovacieho systému obvodových stien s výmenou okien alebo ich úpravou možno dosiahnuť zníženie spotreby energie na vykurovanie o viac ako 50 %, ale len pri budovách postavených do roku Pri budovách postavených neskôr sa dá dosiahnuť zníženie spotreby energie približne o 30 %. [10] Slnečná energia Na jeden m 2 zemského povrchu pri bezoblačnom počasí dopadá slnečné žiarenie s výkonom priemerne 1000 W. Slnečné žiarenie sa po dopade na Zem mení na teplo a chemickú energiu. Na Slovensku Slnko vyžiari ročne kw h m -2, rok má 8760 hodín. Slnko svieti podľa oblastí hodín. Tri štvrtiny tohto slnečného žiarenia pripadá na letné mesiace.

32 Podľa toho, či sa slnečná energia využíva vo svojej pôvodnej forme, alebo pomocou technických prostriedkov, môžeme hovoriť o jej pasívnom alebo aktívnom využití. Pasívne využitie. Architektonické riešenia, na základe ktorých sa slnečné žiarenie priamo využíva na ohrievanie priestorov, napr. okná situované na juh, zimné záhrady - vhodné realizovať najmä u novovybudovaných domov. Aktívne využitie. Použitie kolektorov na výrobu tepla, napr. na prípravu teplej úžitkovej vody (TÚV). Použitie solárnych článkov na výrobu elektriny (fotovoltaický proces). Použitie tepelných čerpadiel na využitie teploty prostredia zo vzduchu, vody a pôdy Pasívne využitie slnečnej energie Jedná sa predovšetkým o pasívne solárne systémy, ktorými môže byť celá budova, alebo len niektoré z jej častí. Transport energie sa deje len prirodzenou cestou, bez pomoci technických zariadení. Vhodným návrhom možno pri pasívnom slnečnom vykurovaní znížiť spotrebu tepla až o 60 %. Zásady pre navrhovanie pasívnych solárnych systémov: - budovu treba postaviť v mieste závetria (vietor zväčšuje tepelnú stratu infiltráciou), - z južnej strany má byť krajina otvorená, aby na zasklené plochy pasívneho systému mohlo bez obmedzenia dopadať slnečné žiarenie, - južnú stranu treba ochrániť pred preteplením v letnom období - použitím napr. vhodného tienenia listnatými stromami (v zime opadávajú). Južná orientácia čelnej strany domu je najvýhodnejšia, ale nemusí byť úplne splnená. Tepelné zisky zo slnečného žiarenia sa zmenšujú nepatrne do odchýlky o ± 30 od južného smeru na východ alebo na západ. Na južnej strane so slnečnými oknami majú byť trvalo obývané miestnosti, napr. obývacia izba, prípadne pracovňa a kuchyňa s jedálňou. Miestnosti používané len v určitom dennom čase môžu byť na východnej alebo na západnej strane Pasívne solárne systémy Akumulačné solárne steny Jedná sa o základný prvok solárnej architektúry. Južná strana funguje ako kolektor, steny a podlaha sú z masívnych stavebných materiálov s vysokou tepelnou kapacitou. Plní funkciu tepelného zásobníka, ktorý zabraňuje prehriatiu pri slnečnom svite a následne uvoľňuje teplo, pri poklese teploty. Teplo sa dovnútra budovy šíri sálaním. Nezasklený solárny vzduchový kolektor Základom je tmavý, dierovaný trapézový plech, ktorý sa umiestňuje na fasádu vo vzdialenosti 2 4 cm od zateplenej obvodovej steny. Ventilátor vytvára podtlak medzi fasádou a plechom a tým

33 dochádza k nasávaniu vzduchu do dutiny cez dierovanie. Vzduch stúpa dutinou, zohrieva sa a je ďalej rozvádzaný bežným vetracím zariadením. Energetická fasáda Energetické fasády sú jednoduché vzduchové kolektory, ktorých transparentnú vrstvu tvorí sklenená doska a absorpčný povrch normálna fasáda. Výhodou je, že pomocou týchto kolektorov môžeme zásobovať teplom celú budovu. Dvojité transparentné fasády Jedná sa podobne ako v predchádzajúcom prípade o vzduchový kolektor, ktorý je tvorený sklenenými doskami predsadenými pred obvodovou presklenou konštrukciou. Vo vzniknutej dutine sú ešte umiestnené tieniace prvky a otvory umožňujúce reguláciu vzduchu vo vonkajšom plášti. Energetická strecha Jedná sa o vzduchový kolektor zabudovaný do roviny strešnej konštrukcie. Väčšinou sa tento spôsob kombinuje práve so stenovým vzduchovým kolektorom. K dosiahnutiu dostatočného účinného vztlaku pri letnej prevádzke s prirodzenou cirkuláciou vzduchu je nutný určitý výškový rozdiel medzi vstupom a výstupom vzduchu. Z tohto dôvodu je systém vhodný pre šikmé strechy s uhlom sklonu najmenej Transparentná tepelná izolácia Skladá sa z materiálov, ktoré výhodne kombinujú dve základné vlastnosti požadované pri zasklievacích prvkoch v solárnej technike - dobrú priepustnosť slnečného žiarenia a nízku tepelnú stratu. Sú vyrábané zo skla alebo z plastov Aktívne využitie slnečnej energie Aktívne solárne systémy sú odlišné od pasívnych tým, že k využívaniu energie slnečného žiarenia nedochádza priamo, ale prostredníctvom slnečných kolektorov, ktoré pohlcujú slnečné žiarenie a premieňajú ho na teplo alebo prostredníctvom slnečných (fotovoltaických) článkov premieňajúcich slnečné žiarenie na elektrinu Slnečné kolektory Na efektívne využitie slnečných kolektorov pre NED sa predpokladá zo splnením nasledovných kritérií. Účinnosť slnečného kolektora závisí od klimatickej oblasti, od ročného obdobia, od čistoty ovzdušia a od sklonu plochy, na ktorú slnečné žiarenie dopadá. V lete je vyžarovanie slnečnej energie mimoriadne veľké (v tomto čase možno prakticky úplne zohriať vodu slnkom, v zime je intenzita slnečného žiarenia slabšia). Správna orientácia slnečného kolektora je veľmi dôležitá. Najväčšie množstvo slnečnej energie vyžaruje z juhu (najlepší výsle dok sa dosiahne nasmerovaním slnečných kolektorov na juh). Pri nasmerovaní mierne na západ (asi o 8 15 ) možno využiť aj energiu zapadajúceho slnka. Kolektor je maximálne účinný, ak slnečné žiarenie naň dopadá v pravom uhle.

34 Pri využívaní letného slnka je výhodné, aby bol kolektor relatívne plocho uložený. Na zimu je vhodnejšie strmé uloženie. Optimálny sklon pre celoročnú prevádzku je 45. Pri premene slnečného žiarenia na teplo dochádza k strate určitej časti energie, napr. cez krycie sklo, cez spodnú a bočné steny. Preto čím lepšia je izolácia medzi vnútrom kolektora a okolím tým lepšia je jeho účinnosť. Rozdelenie užívateľských systémov podľa jednotlivých hľadísk: Podľa prevádzkového režimu: - systémy so sezónnou prevádzkou: voda sa ohrieva priamo v kolektore, - systémy s celoročnou prevádzkou: teplonosnou kvapalinou je vždy nemrznúca zmes, potrebné sú vždy dva okruhy. Podľa obehu teplonosnej kvapaliny: - samoťažné: teplonosná kvapalina prirodzene cirkuluje, - s núteným obehom: teplonosná kvapalina prúdi pomocou obehového čerpadla. Podľa okruhov: - jednookruhový systém kolektorov je zároveň aj zásobníkom teplej vody, napr. voda z vodovodu môže byť priamo ohrievaná slnkom. Nie je potrebné čerpadlo, ktoré by vyžadovalo prídavnú energiu. Dobrá tepelná izolácia, transparentné krytie, ako aj termická nosnoť systému zabezpečia ochranu zariadenia pred zamŕzaním v zimných mesiacoch, - dvojokruhový systém: kolektor je napojený na výmenník tepla primárnym okruhom a naň je napojený sekundárny okruh. V praxi sa bežne používajú nasledovné druhy slnečných kolektorov. Kvapalinové slnečné kolektory Premieňajú slnečné žiarenie zachytené absorbérom na tepelnú energiu. Tá sa koncentruje v teplonosnej kvapaline, ktorá ju odvádza do miesta spotreby, napríklad do solárneho zásobníka. Ploché kolektory Používajú sa pre nízkoteplotné systémy (do 100 C). Pre svoje dobré parametre, prijateľnú cenu a jednoduchosť použitia sú najrozšírenejšie. Ich účinnosť je cca. 70 %. Koncentrické kolektory Koncentrujúce kolektory využívajú zrkadliace povrchy, ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do ohniska, v ktorom sa nachádza absorbátor. Majú cca. 90 % účinnosť, sú však oveľa drahšie a náročnejšie na montáž ako predchádzajúce typy. Celková zostava solárneho systému na prípravu TÚV sa skladá z nasledovných komponentov: - slnečný kolektor, - zásobník teplej vody, - výmenník tepla, - obehové čerpadlo, - regulácia, - potrubia, - systém doplnkového ohrevu.

35 Jadrom solárneho zariadenia na prípravu TÚV je kolektor, v ktorom sa v absorbéri premieňa slnečné žiarenie na teplo (viď. obr. 5.4.). Na prípravu TÚV sa používajú zariadenia s plochým alebo vákuovým rúrovým kolektorom, ale tiež aj akumulačné kolektory. Akumulačný zásobník teplej vody (bojler) môže mať objem aj niekoľko sto litrov. Tento relatívne vysoký objem pomôže preklenúť krátkodobý pokles slnečného tepla. Veľké poklesy počas ročných období je možné vyrovnať zodpovedajúcim dodatočným ohrevom. Je potrebné dbať na to, aby sme nemali veľké straty tepla v potrubí (krátke a dobre izolované potrubia). Ak energia získaná zo Slnka nepostačuje, možno použiť nasledujúce systémy dodatočného ohrevu: - vykurovacím systémom (plyn) s ďalším výmenníkom tepla v bojleri, - elektrickým vykurovacím telesom v hornej časti bojlera, - cez decentralizované bojlery na ohrev TÚV na mieste odberu vody. Obr Schéma zapojenia slnečných kolektorov na ohrev TÚV Na vykurovanie bytových priestorov sa kolektory veľmi nehodia, pretože práve v čase, keď je potreba tepla najvyššia (večer a v zimných mesiacoch), môžu dodávať len veľmi obmedzené množstvo úžitkového tepla.

36 Pri použití kolektorov na kúrenie sa musí rátať s kolektorovou plochou, ktorá sa rovná asi 50 % vykurovanej obytnej plochy. Nutné je tiež obstarať veľký ( litrov) a cenove náročný zásobník so zariadením pre celoročné vyrovnávanie teplotných rozdielov alebo prídavné ohrievacie zariadenie. Na takéto vykurovanie je vhodné len veľkoplošné vykurovanie (podlahové), umožňujúce využívať vodu s nižšou teplotou Solárne články Fotovoltika bola objavená už pred 150 rokmi francúzskym fyzikom Edmondom Alexandrom Bequerelom (1839). Tento vedec objavil, že je možné premeniť slnečné žiarenie priamo na elektrickú energiu. Dlhé roky bol tento efekt využívaný vo fotografovaní na meranie osvetlenia. Potom uprostred 50-tich rokov nastal zlom. Fotovoltika sa začala používať vo vesmírnej technike. Zistilo sa, že je to jediná možnosť ako zásobovať satelity a vesmírne lode vo vesmíre elektrickou energiou. Potom, ako sa začala fotovoltika využívať pri vesmírnych letoch, nasledovali postupné kroky na jej využitie na Zemi. Bola použitá pre napájanie od vreckových kalkulačiek a náramkových hodiniek, cez signalizáciu pohotovosti až po rádio reléové stanice, neskôr na napájanie horských chát a hospodárskych budov vo vyšších polohách. Vo všetkých týchto prípadoch ide o výrobu elektrickej energie z fotovoltických článkov v tzv. ostrovnej prevádzke, teda bez spojenia s verejnou energetickou sieťou, ktorou sa zásobujú spotrebiče alebo budovy (viď. obr. 5.5). Pri takejto ostrovnej prevádzke sa dá získať konštantné zásobovanie elektrickou energiou pomocou akumulátorových batérií. Pre menšie spotrebiče postačuje napätie tejto siete 12 alebo 24 V. Akumulátorová batéria zásobuje spotrebiteľa v čase, keď je výroba elektrickej energie zo slnka nedostatočná. U malých zariadení (do 300 W) sa používajú spotrebiče, ktoré môžu byt priamo zásobované z akumulátorovej batérie (svietidlá, rádio, TV). Väčšie systémy bývajú prevádzkované striedavým prúdom. Aby sa takéto spotrebiče mohli zásobovať (sušič vlasov, TV) elektrickou energiou je potrebné nainštalovať do takejto ostrovnej prevádzky napäťový menič, ktorý premení jednosmerné napätie na striedavých 230 V. Do všetkých väčších fotovoltických zariadení sa na ochranu proti preťaženiu akumulátorových batérií montujú regulátory. Regulátor sa tiež stará o to, aby nedošlo k napäťovému preťaženiu spotrebičov. V zahraničí sa dnes montujú fotovoltické zariadenia pre decentralizované zásobovanie elektrickou energiou do všetkých vyššie položených objektov, ako sú chaty, vysielače, stanice prvej pomoci a pod. aj ako zálohové zdroje. Fotovoltické zariadenia sú ešte stále náročné na investičné náklady. Avšak tam, kde vôbec nie je možné zásobovanie z verejných energetických sietí alebo náklady na prevádzku dieselagregátov sú vysoké z dôvodov dopravnej nedostupnosti, montujú sa fotovoltické zariadenia na zásobovanie elektrickou energiou. Základným elementom fotovoltického zariadenia je solárny článok. Takéto články môžu premeniť slnečnú energiu priamo na elektrickú. Základným materiálom solárneho článku je kremík v polykryštalickej, monokryštalickej alebo amorfnej forme. Doteraz boli vyvinuté 3 typy solárnych článkov: