1

SlovenskSlovenskáá TTechnickechnickáá UUniverzita v niverzita v BratislaveBratislaveStavebnStavebnáá fakultafakulta, , Katedra TZBKatedra TZB

ExperimentExperimentáálny energeticky lny energeticky paspasíívny dom s aktvny dom s aktíívnou vnou

tepelnou ochranoutepelnou ochranou

doc.Ingdoc.Ing. Daniel KAL. Daniel KALÚÚS, S, PhDPhD..

2

1. Tepeln1. Tepelnáá ochrana budovochrana budov

l Energeticky pasívne domy (EPD) sa vyznačujúsvojou veľmi nízkou spotrebou energie na vykurovanie, a to 5 až 15 kWh/(m2.rok). Táto nízka spotreba energie je vo väčšine prípadov dosahovaná mohutnou hrúbkou tepelnej izolácie stavebných konštrukcií, teda pasívnou tepelnou ochranou budov.

3

l Luxemburský vedec, výskumník a fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké, (2 krát navrhnutý na Nobelovúcenu), vyvinul, patentoval a neustále zdokonaľuje technológiu budov – ISOMAX (Terra-sol), ktorá je charakteristická aktívnou tepelnou ochranou budov.Energeticky pasívne domy vystavané touto metódou nevyžadujú akýkoľvek tradičný zdroj tepla a spotreba palív je nulová. Jednoduchý a zároveň geniálny spôsob využitia solárnej a geotermickej energie aktívnym spôsobom vytvára vyhovujúcu vnútornú klímu budov a aplikuje sa nielen na vykurovanie a predohrev TV v jadrových zásobníkoch, ale aj na chladenie a vetranie stavebných objektov.

4

l Kontinuálny prúd tepla smerovaný z hĺbky zeme na povrch sa odhaduje na 4x1010 kW, vo vzťahu k povrchu zeme je to cca 0,7 kWh/(m2.rok). Na priame využitie je táto hodnota príliš nízka, pokiaľ neuvažujeme s anomáliou ako sú horúce vody, ktoré súuzavreté v podzemnom rezervoári a okrem formy gejzíru nemajúžiadne prirodzené spojenie s povrchom.

l 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 použitéaj základové pilóty ako nosič tepla ("energetické pilóty"). Vo všetkých týchto prípadoch sa používajú na dosiahnutie potrebnej teploty teplonosnej látky tepelné čerpadlá.

2. Fyzik2. Fyzikáálny princlny princííp vyup využžitia solitia soláárnej rnej aa geotermickejgeotermickej energieenergie

5

l Úplne inú a podstatne hospodárnejšiu cestu zvolil Dipl. Ing. Edmond D. Krecké, pričom priamo využíva podpovrchovézemské teplo podporované teplom 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.

6

l 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. 2.2 - bez ohľadu na to, ako klesne vonkajšia teplota.

7

l 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 dopravovanádo potrubného systému vo vonkajších stenách podobne ako to je pri stenovom veľkoplošnom vykurovaní. Po odovzdaní tepla sa opäťohrieva zeminou.

8

l Pri výstavbe budovy podpivničenej ale aj nepodpivičenej sa 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).

9

l Tento teplotný rozdiel je žiadúce ďalej znižovať, to znamenázvyšovať 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, a taktiež 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).

10

l Priemerný ročný objem slnečného žiarenia v naších podmienkách predstavuje energiu cca 1200 kWh/(m2.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/(m2.rok) - takto by sme s vyžiarenou energiou mohli zásobiť 100 až 120 podlaží energeticky pasívnych domov s plochou našej krajiny! Je to teoretická hodnota z ktorej je nutné ešte odpočítaťstraty, nestabilitu slnečného žiarenia, znečistenie ovzdušia pohlcujúce žiarenie, atď., i napriek tomu však predlkladaná hypotéza 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, ktoré možno využiť na absorpciu slnečnej energie.

Obr.2.5Obr.2.5

11

l Vidíme, že vďaka slnku máme k dispozícii zdroj energie, s ktorým môžeme vytvárať tepelnú pohodu 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 nazvaná jej vynálezcom - fyzikom Dipl. Ing. Edmond D. Kreckém - TERRA-SOL TECHNOLÓGIA.

12

3. Technick3. Technickéé rierieššenie vyuenie využžitia solitia soláárnej rnej aa geotermickejgeotermickej energieenergie

l 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 možné ohriať vodu na použiteľných 20 až 25 °C.

13

Obr.3.1Obr.3.1

14

l 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 zniženiebočných tepelných strát - teda na obmedzenie tepla unikajúceho do atmosféry - sa okolo pôdorysu budovy pokladá do pôdy tepelná izolácia (styrodur alebo 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 dopravovaná do základovej dosky – akumulátora tepla. Mnohými meraniami sa na budovách zhotovených Terra-Sol technológiou 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 absorbčnévýkony. Namiesto zvýšenia teploty sa zväčšuje objem zemného zásobníka. Skúsenosťami za niekoľko desaťročí sa zistilo, že pri využitívšetkých strešných plôch ako absorpčných plôch je k dispozícii oveľa viac tepelnej energie ako je potrebné.

15

4. Energeticky pas4. Energeticky pasíívny dom vny dom –– Typový Typový panelový dom IDA I.panelový dom IDA I.

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

16

4.1 Vstupn4.1 Vstupnéé úúdajedaje

°C15,00Vnútorná teplota počas útlmu10

°C4,00Priemerná vonkajšia teplota počas vykurovacej sezóny9°C9,90Priemerná ročná vonkajšia teplota8deň202,00Počet vykurovacích dní7

-2Veterná oblasť6-1Teplotná oblasť5

m n.m.142,00Nadmorská výška 41/h0,50Intenzita výmeny vzduchu3°C20,00Výpočtová vnútorná teplota2°C-11,00Výpočtová vonkajšia teplota1

Fyzikálna jednotkaHodnotaKlimatické údajeP.č

.

Tabuľka č.4.1 Klimatické údaje v zmysle STN EN 73 0540:

17

4.2 Energetick4.2 Energetickáá bilanciabilancia

W/m215,0Merný výpočtový príkon tepla pre vykurovanie a vetranie pre pasívny RD12

W/m235,6Merný výpočtový príkon tepla pre vykurovanie a vetranie pre klasický RD11W/m36,9Merná tepelná strata vykur.priestoru pasívneho RD10

W/m316,4Merná tepelná strata vykurovaného priestoru klasického RD9

W/m35,00Merná tepelná strata obostavaného priestoru pasívneho RD8

W/m312,7Merná tepelná strata obostavaného priestoru klasického RD7

W4 500Projektovaný tepelný príkon pre pasívny RD v zmysle STN EN 12 8316W10 650Projektovaný tepelný príkon pre klasický RD v zmysle STN EN 12 8315

W910Tepelná strata ventraním pre pasívny RD (SZT = 85 %)4

W3 640Tepelná strata ventraním pre klasický RD3

W/(m2.K)0,21Priemerný súčiniteľ prechodu tepla pre pasívny RD2W/(m2.K)0,43Priemerný súčiniteľ prechodu tepla pre klasický RD1

Fyzikálna jednotkaHodnotaÚdaje energetickej bilancie stavebného objektu:P.č.

Tabuľka č.4.2 Výsledky energetickej bilancie stavebného objektu:

18

4.3 Ro4.3 Roččnnáá potreba tepla a energie na potreba tepla a energie na vykurovanievykurovanie

Tabuľka č.4.3 Ročná potreba tepla a energie na vykurovanie klasického a EPD

11 299,3224 729,474 692,5517 722,4916,8963,80

EPDKlasický domEPDKlasický domEPDKlasický dom

Potreba energie na vykurovanie v kWh/rok

Potreba tepla na vykurovanie v kWh/rok

Potreba tepla na vykurovanie

v GJ/rok

19

4.4 Mern4.4 Mernéé potreby teplapotreby tepla

Tabuľka č.4.4 Merné potreby tepla klasického a EPD

78,6028,100,6914,9156,305,5821,09

kWh/(m2.rok)kWh/(m3.rok)-kWh/(m2.rok)kWh/(m2.rok)kWh/(m3.rok)kWh/(m3.rok)

E2,NE1,NEPDKlasický domEPDKlasický

dom

E2E1

Normová mernápotreba tepla

Faktor tvaru

budovy FTB

Merná potreba tepla E1, E2

20

4.5 Stupe4.5 Stupeňň potreby teplapotreby tepla

Tabuľka č.4.5 Stupeň potreby tepla na vykurovanie a klasifikácia objektu z hľadiska SPT

A-veľmi úspornáB - úsporná19,8775,04

EPDKalsický domEPDKlasický dom

Klasifikácia objektu z hľadiska SPT -stupňa potreby tepla na vykurovanie

SPT - stupeň potreby tepla na vykurovanie v %

21

4.6 Realiz4.6 Realizááciacia

l Výstavba typového panelového domu IDA I. začala v auguste 2005. Po vytýčení stavby sa začalo výkopmi pre zemný výmenník tepla „rúra v rúre“, obr.4.1. Zemný výmenník tepla sa vyrábal priamo na stavbe z nerezovej pásky, obr.4.2, a ukladal do pieskového lôžka, obr.4.3. Po uložení a zasypaní zemného výmenníka tepla sa vybetónovali základové pásy EPD, obr.4.4. Nasledným krokom bolo uloženie a zasypanie potrubného systému pre rozvody vzduchu do pieskového lôžka, obr.4.5.

22

Obr.4.1 Výkop pre zemný výmennObr.4.1 Výkop pre zemný výmenníík teplak tepla Obr.4.2 Výroba nerezovObr.4.2 Výroba nerezovéého výmennho výmennííka teplaka tepla

Obr.4.3 UloObr.4.3 Uložženie a zenie a záásyp výmennsyp výmennííka teplaka tepla Obr.4.4 Debnenie a Obr.4.4 Debnenie a betonbetonáážž zzáákladovkladov

23

l Po položení oceľovej kari siete boli vytvorené 2 okruhy zemného zásobníka tepla (2 x 150 m), obr.6, ktoré budúodovzdávať a akumulovať teplo do okolitej zeminy po prepojení s energetickou strechou cez výmenník tepla. Taktiež bol vytvorený okruh predohrevu TV dĺžky 80 m.

l Pred betonážou základovej dosky bol vytvorený tretíakumulačný okruh (200 m), obr.7, ktorý bude odovzdávaťa akumulovať teplo do základovej dosky po prepojenís energetickou strechou cez výmenník tepla. Ďalším krokom bola montáž typového panelového domu IDA I., obr.8.

24

Obr.4.5 UloObr.4.5 Uložženie rozvodov vzduchuenie rozvodov vzduchu Obr.4.6 Okruhy v zemnom zObr.4.6 Okruhy v zemnom záásobnsobnííku teplaku tepla

Obr.4.7 Obr.4.7 BetonBetonáážž zzáákladovej doskykladovej dosky Obr.4.8 MontObr.4.8 Montáážž panelovpanelovéého domu IDA I.ho domu IDA I.

25

l Po ukončení montáže panelov sa v marci 2006 začala realizácia dreveného krovu, obr. 4.9. Pred uložením krytiny boli vytvorené okruhy energetickej strechy, obr.4.10. Po zakrytí strechy sa začali práce na energetických systémoch v interiéri EPD. Ako prvé sa prepojili okruhy stenového vykurovania/chladenia, TB, obr.4.11 a obr.4.12. Potom sa uložili vduchotechnicképotrubia rozmerov 200x50 mm do tepelnej izolácie v podlahe, obr.4.13 a obr.4.14. V zápätí sa inštalovali okruhy nízkoteplotného veľkoplošného podlahového vykurovania, obr.4.15, a zrealizoval sa betónový poter, obr.4.16.

26

Obr.4.9 MontObr.4.9 Montáážž krovukrovu Obr.4.10 MontObr.4.10 Montáážž okruhov energetickej strechyokruhov energetickej strechy

Obr.4.11 Okruhy tepelnej bariObr.4.11 Okruhy tepelnej bariééry v stenry v stenááchch Obr.4.12 RozdeObr.4.12 Rozdeľľovaovačč okruhov TBokruhov TB

27

Obr.4.13 MontObr.4.13 Montáážž VZT potrubVZT potrubíí Obr.4.14 IzolObr.4.14 Izoláácia VZT potrubcia VZT potrubíí

Obr.4.15 Okruhy podlahovObr.4.15 Okruhy podlahovéého vykurovaniaho vykurovania Obr.4.16 RealizObr.4.16 Realizáácia poterovcia poterov

28

l Z hľadiska funkčnosti navrhovaného energeticky pasívneho stavebného objektu, typového panelového domu IDA I. je najdôležitejšia realizácia strojovne energetických systémov a vyregulovanie jednotlivých energetických systémov, obr.4.17 a obr.4.18.

l Na dennú akumuláciu tepla slúži stojatý zásobník tepla 600/150 litorv, kde 450 litrov ohriatej vody slúži na vykurovanie a 150 litrov je TV, obr.4.19. Zároveň tento zásobník slúži ako doplnkový zdroj tepla s elektrickým dohrevom.

l Z hľadiska tepelno-technického je dôležité zateplenie obvodových stien a strechy, obr.4.20.

29

Obr.4.17 Okruhy energetických systObr.4.17 Okruhy energetických systéémovmov Obr.4.18 StrojovObr.4.18 Strojovňňa energetických systa energetických systéémovmov

Obr.4.15 Stojatý zObr.4.15 Stojatý záásobnsobníík tepla 600/150k tepla 600/150 Obr.4.16 Zateplenie panelovObr.4.16 Zateplenie panelovéého domu IDA I.ho domu IDA I.

30

5. Z5. Zááververl Pri koncipovaní záverov sme zohľadnili nasledovné východiská:

l Porovnanie investičných nákladov na výstavbu energeticky pasívnych domov a klasických domov je možné iba za predpokladu porovnateľného štandardu technického vybavenia a komfortu (vykurovanie, chladenie a vetranie). V opačnom prípade by boli síce investičné náklady na energeticky pasívne domy rádovo vyššie, ale štandart technického vybavenia a komfortu v klasických domoch by bol nezrovnateľne nižší.

l 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.

l Investičné náklady na energeticky pasívne domy sú vo všeobecnosti oproti klasickým domov s porovnateľným štandartom komfortu cca 10 až 15 % vyššie.

l Investičné náklady na energeticky pasívny dom IDA I. sú oproti klasickým domom s porovnateľným štandartom komfortu cca 1 až 6 % vyššie.

31

l Investičné úspory na výstavbu energeticky pasívnych domov technológiou IDA I. oproti iným technológiam výstavby energeticky pasívných domov vyplývajú z unifikácie a prefabrikácie stavebných dielcov, kratšej doby výstavby, jednoduchosti výstavby, dokonalého využitia solárnej a geotermickej energie bez dodatkového zdroja tepla a chladu, výstavby z nízkonákladových stavebných materiálov, využitia nízkonákladových technológií na vykurovanie, chladenie a vetranie.

l V analýze ročných prevádzkových nákladov na palivo a energie neuvažujeme s potrebou elektrickej energie potrebnej k distribúciíteplonosnej, prípadne chladiacej látky (čerpadlá a ventilátory), vzhľadom na nízke príkony týchto zariadení, a zároveň približne rovnakú energetickú náročnosť všetkých posudzovaných alteranatív.

l Prevádzkové náklady na chod čerpadiel a ventilátorov sú v porovnanís prevádzkovými nákladmi na výrobu tepla a chladu planoautomatickým kotlom, tepelným čerpadlom a klimatizačnými jednotkami zanedbateľné a predstavuju cca 10 až 15 % (t.j. cca =5.000,-až 8.000,- SKK za rok) z týchto nákladov. Z tohto hľadiska môžeme konštatovať, že energeticky pasívny dom IDA I. má „nulovú“ ročnúspotrebu paliva a „nulové“ prevádzkové náklady na palivo.

32

l Na základe analýzy je možné konštatovať, že návratnosť investícií na výstavbu energeticky pasívneho domu IDA I. v porovnaní s klasickými domami s porovnateľným štandardom komfortu (vykurovanie, chladenie a vetranie) je približne 1 až 4 roky pri súčasných cenách za palivá a energie. V prípade, že komfort klasických RD by bol nižší, t.j. iba jednoduché vykurovanie kotlom s konvekčnými vykurovacími telesami, bez vetrania a chladenia, bola by návratnosť investícií energeticky pasívneho domu IDA I. pri súčasných cenách cca 10 rokov.

l Technológia energeticky pasívneho domu IDA I. dokonale využíva solárnu a geotermickú energiu bez dodatkového zdroja tepla čo v konečnej miere znamená, že zdroj tepla nevyžaduje opravy, servisné a revízne prehliadky a v podsatate má neobmedzenú životnosť bez vedľajších výdavkov.

l Realizácie energeticky pasívnych domov v celom svete vykazujú prezentovanéenergetické i ekonomické úspory, a taktiež komfort bývania v zdravom hygienicky nezávadnom prostredí.

l Vzhľadom na stále rastúce ceny palív a energie, a taktiež stále viac a viac zdevastované životné prostredie je možné považovať energeticky pasívne domy za jedinú správnu cestu a smerovanie v stavebníctve.

l Možnosť doplnenia energeticky pasívnych domov o fotovoltaickú techniku, a tým si vytvoriť energetickú sebestačnosť, tzv. plusové domy, nie sú iba fikcia ale realita, na ktorú by sme si mali v čo najkratšej dobe zvyknúťa pripraviť cestu na jej realizáciu.

33

6. Literat6. Literatúúrara1. PETRÁŠ, D. a kol.: Nízkoteplotné vykurovanie a obnoviteľné zdroje energie, Bratislava:

Jaga, 20012. CIHELKA, J.: Solární tepelná technika, Praha: Nakladatelství T. Malina, 19943. LULKOVIČOVÁ, O. a kol.: Zdroje tepla a kotolne, Bratislava: Jaga, 20044. HYKŠ, P., HRAŠKA, J.: Slnečné žiarenie a budovy, Bratislava: Alfa, 19905. CHMÚRNY, I.: Tepelná ochrana budov, Bratislava: Jaga, 20036. NAGY, E.: Nízkoenergetický dom, Bratislava, Jaga, 20027. TYWONIAK, J.: Hodnocení strategií nízkoenergetického stavění. In: Sborník ze 4.

mezinárodní konference Tepelná ochrana budov 2002. České Budějovice: 2002, s.818. KALÚS, D.: Využitie solárnej a geotermickej energie na vykurovanie a vetranie rodinných

domov. In: Zborník z medzinárodnej konferencie Vnútorná klíma budov 2005. VysokéTatry, 2005

9. KALÚS, D. a kol.: Návrh energeticky pasívneho domu s využitím solárnej a geotermickejenergie, Metodika návrhu energeticky pasívneho domu, HZ 04-309-05, I.etapa, Bratislava, 2005, 98 str.

10. KALÚS, D. a kol.: Posúdenie tepelno-pohodového stavu v experimentálnom energeticky pasívnom dome IDA I., Metodika posudzovania tepelno-pohodového stavu, HZ 04-310-05, I.etapa, Bratislava, 2005, 83 str.

11. www.isomax.sk