Renovace vytápění v bytových domech

Energetická náročnost budovy v souladu s vyhláškou č. 148/2007 Sb.
Energetickými systémy budovy, ovlivňujícími její energetickou náročnost, jsou soustavy technického zařízení budov pro vytápění, větrání, chlazení, klimatizaci, přípravu teplé vody a osvětlení. U hodnocené budovy musí být splněny hodnoty měrné spotřeby energie v kWhm-2, podle druhu budovy vztažené na její podlahovou plochu.

Mimo to se prokazuje splnění porovnávacích ukazatelů, které vycházejí z požadavků ČSN 73 0540-2 (2007). Ty jsou splněny, pokud:

• konstrukce a jejich styky mají takový tepelný odpor, že na jejich vnitřní konstrukci nedochází ke kondenzaci vodní páry a růstu plísní;
• stavební konstrukce splní nejvýše požadovaný součinitel prostupu tepla;
• funkční spáry vnějších výplní otvorů (oken, balkonových a vstupních dveří) musí splnit normový požadavek součinitele průvzdušnosti, ostatní konstrukce a spáry obvodového pláště musí být téměř vzduchotěsné;
• budova musí splnit hodnotu požadovaného průměrného součinitele prostupu tepla;
• podlahové konstrukce musí splnit požadavek poklesu dotykové teploty podlahy;
• místnosti splňují požadavky tepelné stability v letním a zimním období;
• uvnitř stavební konstrukce nedochází ke kondenzaci vodní páry nebo jen v množství neohrožujícím jejich funkci po dobu předpokládané životnosti.

Potřeba energie (tepla) na vytápění a související faktory
Potřeba tepla pro vytápění je předem teoreticky stanovené dodané množství podle výpočtových metod pro zajištění požadované tepelné složky vnitřního prostředí za danou časovou jednotku. Spotřeba tepla vyjadřuje množství energie skutečně spotřebované za časovou jednotku. Pro návrh výkonu otopné soustavy a jednotlivých otopných ploch (či lokálních topidel) je směrodatná teoretická potřeba za návrhových podmínek (návrhové vnitřní a venkovní teploty). Tato veličina se nazývá tepelnou ztrátou a vyjadřuje množství tepla odvedeného za danou dobu z vytápěného prostoru do vnějšího prostředí prostupem tepla a větráním. Otopný systém je tedy navržen na nejnepříznivější podmínky, což znamená zajištění výsledné vnitřní teploty (v bytových domech v pobytových místnostech 20 oC) za výpočtových vnějších teplot (-12, -15, -18 oC) bez zohlednění vnitřních či vnějších zisků. Potřeba tepla ve výpočtovém období a následně skutečná spotřeba tepla je v průběhu provozu samozřejmě ovlivněna nejen ztrátami, ale i zisky. Tepelná ztráta domu (a následně potřeba tepla) se výrazně snižuje lepšími tepelně technickými vlastnostmi konstrukcí. Mnohem nižší jsou tak ztráty (tepelné toky) prostupem. Současně se zvyšuje vnitřní povrchová teplota stavebních konstrukcí, což má kladný vliv na tepelnou pohodu a současně i další dílčí úsporu energie na vytápění. Tepelná pohoda je výsledkem tepelné složky vyjadřující vliv nejen teploty vzduchu, ale i okolních ploch. Se zvyšující se teplotou okolních ploch může za zachováním stejného pocitu uživatele být nižší teplota vzduchu. Nejchladnější plochou je však vždy prosklení. Jeho velikost má na teplotu vzduchu výraznější vliv. Stejně tak je prosklení tou plochou, jejíž prostup tepla je oproti ostatním konstrukcím vyšší. Potřebu tepla pro vytápění výrazně ovlivní vlastní architektonické řešení stavby a tepelné vlastnosti konstrukcí. Dalším výrazným faktorem je způsob větrání. Nelze nevětrat - uživatelé stavby musí mít zajištěno hygienicky nezávadné vnitřní prostředí. Energeticky nejnáročnější je větrání přirozené, kdy je u nových či zateplených budov s vyměněnými okny otopnou soustavou pokrývána hygienicky požadovaná výměna vzduchu v přímém toku vnitřní-venkovní.
V bytových domech v rámci regenerace či rekonstrukce je prvním krokem změna tepelně technických vlastností obálky budovy (konstrukcí a výplní otvorů). Ve většině případů zůstává zachováno přirozené větrání (otevírání oken) a nucený podtlakový odvod z míst největšího znečištění (kuchyní, koupelen a WC). Tepelná ztráta jednotlivých místností a celého domu jako celku se v důsledku snížení tepelných toků prostupem sníží. Provoz a vlastní technické řešení vytápění je s aktuální potřebou tepla v přímé vazbě. Navazujícím krokem po změně potřeby tepla je optimalizace otopné soustavy. Funkční soustava má dodávat v daném čase tolik energie, kolik je aktuálně potřeba k zabezpečení vnitřní teploty (uživatelem požadovaného stavu vnitřního prostředí).

¤ Obr. 1. Faktory ovlivňující potřebu energie pro vytápění budov a návaznost na energetickou náročnost

¤ Obr. 2. Požadované a doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla U (Wm-2K-1 ) podle ČSN 73 0540-2 (2007)

Stávající stav a způsoby vytápění bytových domů

Rozdělení z hlediska způsobu zásobování teplem
V bytových domech se nejčastěji setkáváme s níže uvedenými způsoby zásobování teplem pro vytápění a z tohoto hlediska je můžeme rozdělit na:

• budovy zásobované teplem teplovodním rozvodem od dodavatele tepla s ekvitermně regulovanými parametry otopné vody (teplota otopné vody je regulována podle venkovní teploty);
• budovy zásobované teplovodním rozvodem od dodavatele tepla s konstantní teplotou otopné vody (k regulaci teploty otopné vody dochází ve vlastním zásobovaném objektu - na patě domu);
• budovy s předávací stanicí s teplosměnnou plochou (domovní předávací stanicí);
• budovy s domovní kotelnou (nejčastěji plynovou, ale i na paliva tuhá a kapalná, elektrokotelnou nebo zdrojem využívajícím EOZ, či kombinací zdrojů);
• budovy s byty s etážovým vytápěním a samostatnými zdroji;
• budovy s byty s lokálními topidly.

¤ Obr. 3. Armatury stávajících otopných těles bytových domů

Budovy s napojením na teplovodní rozvod centrálního zásobování teplem (CZT)
Stávající dvoutrubková otopná soustava byla obvykle navržena na teplotní spád 90/70 ºC (nebo blízký teplotní rozdíl). U předimenzovaných těles soustav byla i před zateplením domu provozována s nižšími parametry otopné vody i při návrhových teplotách, například s výpočtovými parametry 80/60 ºC. Stávající otopná soustava je hydraulicky seřízená na požadované průtoky s teplotním rozdílem cca 20 K. Otopná tělesa jsou většinou článková litinová, v některých případech ocelová článková nebo desková. Většina soustav je již opatřena termostatickými ventily u těles, je tedy s proměnným průtokem. Základní hydraulické nastavení na armaturách otopných těles a patách stoupaček je pevné (pro návrhový - výpočtový stav). Na vratném potrubí u těles není v mnoha případech instalováno uzavírací šroubení. Při jakýchkoliv opravách či výměnách je na patě uzavírána a vypouštěna celá stoupačka.
Na patách stoupaček je v mnoha případech na přívodu otopné vody instalován kulový kohout a na vratu seřizovací armatura s pevným nastavením, na které byla pro daný rozvod nastavena požadovaná hodnota kv. Protože na vratu není často současně instalován kulový kohout, je tato uzavíraná seřizovacím ventilem. Pokud není po otevření nastaven na původní stav, dochází k narušení hydraulických poměrů v otopném systému. Na patách domů napojených na systém CZT bývá osazen regulátor diferenčního tlaku (ne vždy). Soustavy jsou po výměně kohoutů za termostatické ventily hydraulicky seřízeny. K výměnám potrubních ocelových rozvodů ani otopných těles ve většině případů nedošlo a zůstaly stávající. V mnoha případech je v nevyhovujícím stavu tepelná izolace potrubních rozvodů.
U systémů větších rozsahů se můžeme setkat s regulací diferenčního tlaku na patách stoupaček nebo u větví (okruhů) potrubních rozvodů.

Vliv zateplení a výměny výplní otvorů na soustavy stávajících budov
Po zateplení domu se v jednotlivých místnostech sníží především tepelná ztráta prostupem (pokud je zachována přirozená výměna vzduchu). Stávající instalovaná otopná soustava je nyní značně výkonově předimenzována. Je několik možností, jak řešit nový stav. Radikálním řešením je zcela nová instalace (nové otopné plochy a nové rozvody). Tato varianta je v podstatě reálně možná tam, kde stávající stav soustavy je nevyhovující z hlediska stáří a technického stavu. Technické parametry nové soustavy musí stanovit projektová dokumentace. V případě zásobování systémem CZT je nutné posouzení parametrů dodávaného média a případná volba úprav na patě domu (např. i zřízení předávací stanice). Pokud má být zachována stávající otopná soustava, existuje teoretická možnost změnit výkon instalovaných těles změnou průtoků, změnou teplot otopné vody a změnou průtoků, změnou teplot otopné vody a zachováním průtoků. První možnost se zachováním teploty otopné vody a změnou průtoků je z hlediska hydrauliky soustavy prakticky nereálná. Druhá varianta je možným řešením. Vyžaduje termohydraulické posouzení soustavy, posouzení seřizovacích armatur a jejich nastavení. Ne ve všech případech budou stávající armatury vyhovující a může být nutné jiné než stávající řešení.
Jako nejvhodnější při zachování otopné soustavy je varianta se zachováním průtoků a kvalitativní změnou výkonu otopné soustavy a jejich otopných ploch. Prakticky se jedná o změnu parametrů otopné vody tak, aby hmotnostní (objemové) průtoky otopné vody odpovídaly původnímu stavu. Pokud byla například původní tepelná ztráta v místnosti (příklad) 1200 W, ztráta větráním z toho 300 W (bude zachována), po snížení ztráty prostupem na 50 % bude v této místnosti požadován výkon tělesa pro návrhové podmínky 750 W (změnou vlastností obvodového pláště je tepelná ztráta snížena o 37,5 %). Bude-li předpokládat výkon původního tělesa odpovídající tepelné ztrátě, tj. 1200 W při parametrech 90/70 ºC, čemuž odpovídá hmotnostní průtok 52 kgh-1, při zachování průtoku je pro nový návrhový stav optimální teplotní rozdíl 66/53,6 ºC. Stávající otopné těleso pak bude mít za návrhových podmínek výkon 755 W. Při zachování průtoků bude soustava provozována s nižšími, průtokově odpovídajícími parametry otopné vody podle požadovaných výkonů těles pro zateplený stav. Termohydraulické posouzení vyžaduje i tato změna systému, především u vysokých budov jsou jiné vlivy samotíže. Stávající seřizovací armatury jsou většinou vyhovující, v některých případech může být potřebná změna nastavení. V průběhu provozu (během otopného období) se bude výkon řídit kvalitativně (změnou teploty topné vody) podle nové ekvitermní křivky.
Po zateplení domů se ve vytápěných místnostech výrazněji projeví zisky, ať již z vlastního provozu bytu (lidé a jejich činnost, spotřebiče) nebo z oslunění. Je tedy nutná funkční místní kvantitativní regulace (TRV). Bude-li v domě zachována stávající otopná soustava s kvalitativní změnou parametrů, může být tato prováděna v místě přípravy otopné vody u dodavatele tepla, v domovní kotelně (pokud má dům svůj zdroj tepla) nebo domovní předávací stanici (na patě domu). S centrální změnou parametrů jsou svázáni všichni odběratelé. Na jiné parametry dodávané otopné vody nemůže dodavatel tepla přejít dříve, než budou zatepleny všechny napojené objekty. Tento způsob je možný pouze v případě, že jde o čtyřtrubkový rozvod (otopná přívodní a vratná, teplá voda a cirkulace) - čímž se rozumí, že je u dodavatele centrálně připravována teplá voda a v budově nemá vazbu na otopnou vodu.

¤ Obr. 4. Seřizovací armatura na patě stoupačky s pevným nastavením

Budovy vytápěné lokálními topidly, přechod na teplovodní soustavy
V mnoha případech budov starších jsou bytové jednotky vytápěny lokálními plynovými topidly v jednotlivých obytných místnostech. Po snížení tepelných ztrát domu jsou výkonově tato topidla předimenzována. Dalším problémem je způsob vyústění - spalin a přívodu vzduchu. Ve většině případů jsou v provedení C s vyústěním do fasády, což může být problémem především u historicky hodnotných staveb. Stávající starší lokální plynová topidla mají jednoduchou mechanickou regulaci a nastavená teplota je udržována automaticky. V provozu je stále ?věčný plamínek?, což má ve svém důsledku větší spotřebu plynu.
Podle konkrétních podmínek jsou v takto vytápěných domech často zřizovány nové teplovodní otopné soustavy, a to buď jako etážové (s plynovým kotlem v každé bytové jednotce), nebo s centrálním zdrojem (kotelnou) pro celý dům. V případech etážových systémů nastávají problémy s řešením odvodu spalin. Technický stav, počet a umístění stávajících komínových průduchů nemusí být dostatečné a vhodné pro všechny plynové spotřebiče. Samozřejmě je potřeba jejich vložkování. V nových zateplených domech je také nutné při umístění plynových kotlů v jednotlivých bytech věnovat pozornost řešení přívodu vzduchu pro spalování, neboť průvzdušnost spár v nových oknech je téměř nulová. Z tohoto hlediska je vždy vhodné instalovat uzavřené spotřebiče typu C a pokusit se technicky vyřešit zajištění přívodu vzduchu z exteriéru (včetně odvodu spalin tamtéž). Odvod spalin je vždy žádoucí řešit vyústěním nad střechu. U spotřebičů 14 kW a výše je to nutností. Při rekonstrukcích pro spotřebiče do 14 kW povoluje ČSN 73 4201 odvod spalin do fasády v odůvodněných případech při splnění normou stanovených podmínek. U většiny případů bytových domů však pásmo průběhu spalin (kouřové vlečky) na fasádě ve vztahu k výplním otvorů není reálné splnit.
V bytových jednotkách je instalace plynového kotle svázána i s přípravou teplé vody. U zateplených domů má jedna bytová jednotka velmi malou tepelnou ztrátu (cca 1,5 až 5 kW, podle velikosti bytu a stavebního řešení), a to za návrhových podmínek. V průběhu otopné sezony bude tato potřeba tepla pro vytápění ještě nižší.
Z těchto důvodů není vhodné volit kotle pouze s průtokovým ohřevem teplé vody, které pak regulačním rozsahem nevyhovují požadavkům vytápění a ?cyklují? - vykazují vysoký počet sepnutí, s čímž je spojena opět zvýšená spotřeba plynu a snížení životnosti zdroje. Vhodnější variantou je spojení kotle a zásobníku, což dává možnost snížení výkonových parametrů zdroje a přiblížení se požadavkům na vytápění. Z provozního hlediska jsou úspornější kotle kondenzační, které mají větší regulační rozsahy a zároveň mohou využívat tepla z kondenzace vodní páry ve spalinách.
Uživateli jsou žádanější vlastní zdroje tepla v jednotlivých bytových jednotkách. V mnoha případech je ale výhodnější i jednodušší zřízení centrální kotelny pro celou budovu. Současná technologie nabízí řešení kaskádových kotelen s nástěnnými plynovými kotli. Tato řešení jsou prostorově nenáročná, provoz je automatizován a optimalizován, výkonově se přibližují v daném čase aktuální potřebě tepla.
V případě požadavku přesného měření spotřebovaného tepla lze centrální zdroje spojit s takzvanými bytovými stanicemi, které jsou několika typů. Na trhu jsou stanice s ohřevem teplé vody průtokově nebo akumulačně. Podle typu stanice je řešena i regulace parametrů otopné vody pro byty. Některé typy stanic umožňují pouze kvantitativní způsob, jiné kvalitativní (se samostatným oběhovým čerpadlem v každém bytě). U bytové stanice je vždy kalorimetrické měření spotřebovaného tepla a vodoměr na přívodu studené vody před místem ohřevu.

Závěr
Problematika způsobu vytápění, změn soustav v návaznosti na tepelně technické vlastnosti budov je tematikou obsáhlou a každý typ změny je samostatným tematickým okruhem. Jednotlivé objekty mají podle lokalit jiné možnosti zdrojů, jsou jinak stavebně a technicky řešené, žádný postup nelze tedy unifikovat. Pro změny v otopných soustavách je žádoucí vypracování projektové dokumentace odpovídající jejich rozsahu. Současný trh nabízí v oboru vytápění širokou základnu prvků a materiálů, z nichž mnohé jsou určeny právě pro renovace bytových domů.

Použitá literatura
[1] ČSN 73 0540 - 2 (2007) - Tepelná ochrana budov - Požadavky
[2] Stavokonzult - sborník přednášek