Aplikace a možnosti obnovitelných zdrojů energie v bytovém fondu

Bytové stavby jsou ve městech většinou napojeny na centrální zásobování tepla. Místní výměníková stanice zajišťuje vytápění a ohřev teplé vody. Tento způsob centrální přípravy energie a následné distribuce do místa spotřeby je z pohledu účinnosti výroby tepla výhodnější než lokální systémy vytápění. Uživatel má maximální komfort, přičemž má minimum starostí. Předávací stanice v domech jsou také často pod správou firem, které dodávají teplo.
Nevýhodou centrálního zásobování teplem (CZT) je často velká tepelná ztráta distribuční sítě. Rozvody energie nejsou v požadovaném stavu, dochází k haváriím a kvalita tepelných izolací je nedostačující. V konečném důsledku tyto skutečnosti ovlivňují negativně cenu tepla. Nutno však říci, že tam, kde proběhla rekonstrukce distribuční sítě, je situace mnohem lepší. Přesto je koncový odběratel nucen zaplatit cenu, jakou dodavatel nastaví, a je vydán na pospas cenovému monopolu, proti kterému se lze těžko bránit. Často jsou na straně centrálního zásobování tepla i úřady.
V případě, že se podaří odstřihnout od CZT, pak dům musí zbudovat kotelnu s vlastním zdrojem tepla. Obyvatelé daného domu většinou sáhnou po řešení s pomocí plynového kotle buďto klasického, nebo kondenzačního. U bytových domů, respektive rodinných domků, k montáži kotelen s využitím obnovitelných zdrojů nahrává i možnost získání finanční dotace.

Současný stav bytové výstavby
Při zhlédnutí skladby bytového fondu lze konstatovat, že převážně jde o domy vystavěné panelovou technologií, staré desítky let. Pokud se vyloučí statické poruchy, je hlavním problémem těchto domů zastaralá, dnes již nevyhovující stavební obálka. Tepelně technické vlastnosti panelových domů jsou velmi špatné, konstrukce promrzají a vykazují velké tepelné ztráty. Na obrázku 3 a 4 jsou termovizní snímky panelového domu, na nichž jsou úniky tepla jednoznačně patrné.
Obnově těchto domů by měl předcházet energetický audit, který přesně stanoví, jak zateplit obvodové konstrukce a jak zrenovovat, popřípadě vyměnit systémy TZB, a tedy i zdroj tepla. Teprve po zamezení zbytečných úniků tepla z budovy je možné řešit volbu obnovitelného zdroje pro vytápění a ohřev teplé vody. Při každé obnově stavby, ať je to panelový dům nebo rodinný domek, by mělo platit heslo, že nejlevnější energie je ta, kterou nespotřebujeme.

¤ Obr. 1. Diagram bivalence tepelného čerpadla

Tepelné čerpadlo
Z hlediska účinnosti a návratnosti je tepelné čerpadlo nejvhodnějším alternativou plynového kotle. Dnešní tepelná čerpadla dosahují vysoké topné faktory - pracují s dobrou účinností. Stále platí, že nejvýkonnější jsou tepelná čerpadla systému voda/voda.
Topnou soustavu obvykle není nutné ze zásady měnit, je třeba ji však pro připojení tepelného čerpadla přizpůsobit. Přibudou nové prvky do kotelny (např. je třeba počítat s akumulačním zásobníkem, který je nutný pro správný provoz tepelného čerpadla). Při použití tepelného čerpadla rovněž obvykle dojde ke snížení teplotního spádu v topných tělesech, protože pracuje s nižšími teplotami.
Pro bytové domy či domky je vhodné použít typy voda/voda v kombinaci s hloubkovými vrty. Další variantou je použití tepelných čerpadel vzduch/voda, která obvykle vykazují menší účinnost, avšak jsou investičně méně náročná, odpadá nutnost drahých vrtů. V případě použití těchto čerpadel je nutné zvážit aspekt hluku a jejich umístění, kdy je někdy nutná venkovní instalace (obr. 8). Některé výrobky vykazují vyšší hlučnost, což může být příčinou soudních sporů. Při volbě tepelného čerpadla je také třeba stanovit režim, v jakém bude pracovat - jestli půjde o monovalentní, nebo bivalentní provoz. Při volbě nižší výstupní teploty topné vody je možné, aby tepelné čerpadlo pracovalo v monovalentním režimu, při vyšších výstupních teplotách je často nutný i bivalentní zdroj, viz obr. 1.
Na obrázku lze vidět, že při výstupní teplotě vody z tepelného čerpadla 60 °C a teplotě vody v otopné soustavě rovněž 60 °C tepelné čerpadlo pracuje jako monovalentní, není třeba doplňkový zdroj tepla. Máme-li však teplotu topné vody v otopné soustavě např. 90 °C, tak bod bivalence odpovídá teplotě venkovního vzduchu 0 °C. Klesne-li teplota pod tuto hodnotu, je nutné zapojit i doplňkový zdroj pro vytápění, protože tepelné čerpadlo samo o sobě již nemá dostatečný výkon. Čím je výstupní teplota z tepelného čerpadla nižší, tím vyšší je účinnost tepelného čerpadla, proto je vhodné tepelné čerpadlo zapojovat do nízkoteplotních otopných soustav např. v kombinaci s podlahovým vytápěním. Použijeme-li tepelné čerpadlo pro topné soustavy s vysokým teplotním spádem, zbytečně snižujeme účinnost zařízení a současně zvyšujeme náklady na vytápění.

Chyby při návrhu a montáži tepelných čerpadel
Mylnou představou, která se objevuje v praxi, je, když si projektant či realizační firma myslí, že stačí odpojit stávající zdroj tepla a místo něj jednoduše zapojit tepelné čerpadlo. Toto je obecný omyl, který způsobí nefunkčnost celého systému.
Tepelné čerpadlo pracuje většinou s nižší výstupní teplotou, než jakou mají např. klasické plynové kotle nebo CZT. Výstupní teplota topné vody z tepelného čerpadla přímo ovlivňuje jeho účinnost. Proto je obvykle třeba přepočítat výkon těles na nový teplotní spád (například tam, kde byl původní topný spád 90/70 °C apod.). Rovněž je vhodné, pokud tak již nebylo učiněno, namontovat regulační ventily s termostatickými hlavicemi a provést hydraulické vyvážení otopné soustavy. Často se stává, že montážní firma nainstaluje nové ventily s termostatickými hlavicemi, ale neprovede hydraulické vyvážení soustavy. Otopná soustava potom není schopna správně topit v důsledku špatného zatékání vody do některých těles.
U tepelného čerpadla umístěných venku je nutné zajistit kvalitní provedení tepelných izolací rozvodů tepla mezi objektem a tepelným čerpadlem. Nevhodně provedena tepelná izolace je na obr. 7. Špatná tepelná izolace u tohoto tepelného čerpadla způsobuje velké úniky tepla a odtávání sněhu, tato situace zbytečně snižuje účinnost systému.
Velkou pozornost je třeba věnovat výkonu tepelného čerpadla. Projektant někdy navrhne nedostatečně výkonné tepelné čerpadlo, které často využívá elektrického přitápění protože samo nestačí objekt řádně vytopit. Použití elektrického přitápění je častější, protože je investičně levnější než dotápění například pomocí plynového kotle. Důsledek nadměrného využívání elektrického topení je však zvýšená spotřeba elektrické energie, která anuluje efekt tepelného čerpadla. Je třeba vždy najít kompromis mezi velikosti tepelného čerpadla a přídavným elektrickým výkonem.

¤ Obr. 2. Výkony solárních kolektorů v závislosti na sklonu od vodorovné roviny

Solární kolektory
Využití solárních kolektorů v rámci bytového fondu zahrnuje převážně ohřev teplé vody. Pro přitápění bývají solární instalace využívány převážně u rodinných domků, ale i u bytových domů. Hlavním důvodem aplikace je převážně ohřev TV a sekundární přitápění. Typický způsob zapojení je s akumulační nádrž sloužící pro ohřev TV a vytápění, v sestavě může být i přídavný kotel sloužící k dotápění zásobníku. Při montáži solárního zařízení se musí počítat s umístěním panelů. Umístění může být řešeno klasicky na střeše nebo přímo na fasádě, eventuálně na balkonech apod. (obr. 5 a 6).
Na obr. 2 je vidět výkon solárního panelu v závislosti na jeho sklonu. Od 0° do 45° je patrný nárůst výkonu v letních měsících. Na druhou stranu při sklonu 90°, což odpovídá například kolektoru umístěnému na fasádě, je výkon kolektoru v průběhu roku téměř vyvážený [2].
Z této skutečnosti vyplývá, že kolektory se spádem 45° je vhodné umístit například u rodinných domků, kde je možné letní špičky využívat pro ohřev bazénu bez obav z přehřátí kolektoru. Naproti tomu u bytových domů je vhodnější užít sklon kolem 90°, protože není velký odběr pro letní výkonové špičky, a nedochází tak k přehřívání kolektoru z důvodu malého odběru tepla.
V souvislosti se sklonem kolektorů menším než 45° na místě upozornit na riziko jejich namrzání v zimě a tvorbu ledové krusty, která znemožňuje správnou funkci kolektorů. V praxi se vyskytují případy, kdy dochází k pokrytí kolektorů ledem a sněhem. Odstranění této namrzlé vrstvy může být problém a je zde riziko poškození kolektoru.

¤ Termovizní snímek fasády panelového domu

¤Obr. 4. Termovizní snímek fasády panelového domu. Detail topného tělesa za stěnou

¤ Obr. 5. Kolektory jako markýza (Maďarsko)

¤ Obr. 6. Kolektory na balkonech (SOU Zelený pruh, Praha)

¤ Obr. 7. Odtávání sněhu nad rozvody tepelného čerpadla

¤ Obr. 8. Venkovní provedení tepelného čerpadla

Fotovoltaika
Cenově velmi náročné fotovoltaické panely se pro klasické bytové domy běžně neaplikují. Malé využití je patrné u rodinných domků, dále u rekreačních staveb, kde není zavedena elektřina. Běžné uživatele stále odrazují od pořízení vysoké investiční náklady. Zajímavé je využití v souvislosti s tzv. fotovoltaickými elektrárnámi, kdy je garantována vysoká výkupní cena do distribuční sítě, a považuji za příhodné se o této skutečnosti zmínit. Díky dotacím, které mohou být vysoké, je možné montovat fotovoltaické panely na budovy škol.

Biomasa
Další aplikací, kterou lze využít u bytových a rodinných domů, je instalace kotlů na tzv. biomasu. Dnes
sou na trhu moderní kotle, které vykazují vysokou účinnost a dobrou možnost regulace. Pro spalování lze použít různé druhy paliva [1]:

• rostlinné odpady ze zemědělské výroby (sláma, seno, náletové dřeviny, křoviny, odpad z vinic atd.);
• lesní odpady (dendromasa) z těžby dříví (odřezky, pařezy, kůra, šišky, drobné větve);
• organické odpady z průmyslové výroby (odřezky, piliny, hobliny, peletky, cukrovarnický odpad, konzervárenský odpad);
• komunální organický odpad (kal, organický tuhý odpad).

Při volbě koncepce vytápění pomocí kotle na biomasu je potřeba si předem vyjasnit, jaká biomasa bude využívána pro spalování. Je nezbytné použít takové palivo, které bude k dispozici dlouhodobě. V současné době může být například ve městech problém s dostupností biopaliva, např. štěpka nebo peletky. Vhodnější je proto uvažovat kotel na biomasu tam, kde bude zajištěn dostatečný přísun paliva (v blízkosti lesa nebo zpracovatelského podniku apod.).
Kotelna na biomasu vyžaduje jisté nároky na prostor, především kvůli úložišti paliva, které se nakupuje do zásoby. Dále je třeba uvažovat s jistými rozměry kotle včetně automatického zásobovacího zařízení na palivo pro kotel. Při návrhu je třeba tyto prostorové požadavky zohlednit. Na tento typ kotle je možné rovněž získat dotaci, která však není příliš vysoká.

¤ O br. 9, 10. Vzduchový zemní výměník v létě a v zimě

Zemní kolektor pro rodinné domy a pasivní bytové domy
V rodinných domcích v ČR a pasivních bytových domech (převážně v zahraničí) je možné uplatnit všechny výše uvedené alternativní zdroje. Často se kombinují, např. tepelné čerpadlo se solárním kolektorem apod. Na rozdíl od běžných bytových domů je v rodinných domcích a pasivních bytových domech také často použito teplovzdušné vytápění, pro jehož provoz nahrává skutečnost velmi nízké tepelné ztráty. Není tedy nutné budovat systém vytápění teplovodního. Postačí vzduchové kanály pro přívod vytápěcího a větracího vzduchu, obvykle umístěné v podlaze. V tomto případě je samozřejmostí vzduchotechnická jednotka, která potřebuje zdroj tepla pro ohřev vzduchu. Je možné použít:

• tepelné čerpadlo;
• solární zařízení;
• kotel na biomasu;
• klasický plynový kotel nebo elektroohřev

Tyto zdroje obvykle ohřívají akumulační zásobník, na který je napojen vodní výměník tepla vzduchotechnické jednotky.
Zajímavou možností úspory v provozu vzduchotechnické jednotky je použití vzduchového zemního výměníku (ZV). Externí vzduch pro jednotku je nasáván přes tento zemní výměník, umístěný cca 2 m hluboko. ZV o délce cca 20 m vzduch v létě ochlazuje a v zimě předehřívá. Celoročně se uvažuje s teplotou v zemině v rozmezí kolem 10 °C. Tento typ výměníku je konstrukčně velmi jednoduchý a na provoz nenáročný [3], ale musí se počítat s počátečními investicemi na zemní práce, které mohou být případ od případu vysoké. Tento typ výměníku lze vidět na obr. 9, 10.
Další variantou je použití kapalinového zemního výměníku (KZV), který je rovněž uložen v zemi. Je naplněn solankou a předává teplo pomocí výměníku vzduch/kapalina přímo do vzt jednotky. Tento výměník je investičně náročnější než klasický zemní výměník. Rovněž je zde použito více zařízení - čerpadlo, armatury a výměník vzduch/kapalina ve vzt jednotce. Otázka je v životnosti zařízení, solanka je agresivní kapalina.

Závěr
Technologické prostředky dnes umožňují využívání obnovitelných zdrojů energie na dobré úrovni s vysokou účinností. V případě, že se majitelé domků nebo bytů rozhodnou pro montáž zařízení pracujícího s obnovitelnou energií, je možné nalézt uspokojivé řešení. Často je možné získat i dotaci, která však nebývá příliš vysoká ve srovnání s vyspělejšími zeměmi EU. Na trhu je dostatečné množství výrobců, kteří vyrábějí a dodávají zařízení pro využití obnovitelné energie v lepší či horší kvalitě. Platí pravidlo, že za kvalitu se platí a levná řešení mohou být často ta nejdražší.
Potenciální zájemce, který má zájem využívat obnovitelné zdroje, by neměl situaci podcenit již ve fázi projektové dokumentace. V praxi je možné se setkat s projektovou dokumentací nevalné úrovně, která výsledný efekt a dobrou myšlenku obrátí v niveč. Nevhodně navržené a špatně zapojené zařízení bude pracovat špatně, byť by šlo o špičkový výrobek. Je nezbytné, aby jak projektové, tak realizační práce proběhly na patřičné odborné úrovni.

Použitá literatura
[1] Beranovský, J., a kolektiv: Alternativní energie pro váš dům. 2. přepracované vydání, Šlapanice: ERA, 2004. 125 s. ISBN 80-86517-89-6.
[2] Matuška, T.: Trendy v solární tepelné technice (I) - kombinované solární soustavy. Článek na portálu http://www.tzb-info.cz, 15. 8. 2005.
[3] Horák, P.: Zemní výměníky - návrhový software, praktické realizace - Příspěvek vědecká konference Košice 2007, ISBN 978-80-8073-789-4.