Dosah zatepľovania budov na ekvitermickú reguláciu

Abstrakt

Značná časť prevádzkovaných budov je v stave, ktorý vyžaduje jej obnovu. Z energetického hľadiska sa pri obnove budovy pristupuje k obnove obalových konštrukcií budovy, a to zateplením budovy sprevádzaným aj výmenou výplňových konštrukcií. Takýto zásah do obalových konštrukcií budovy vyžaduje aj následný zásah do vykurovacej sústavy s cieľom prispôsobiť prenášané množstvo tepla danej, vplyvom zateplenia, zníženej požiadavke. Najčastejším spôsobom zásahu do vykurovacej sústavy po zateplení objektu a výmene okien je cez koncové prvky vykurovacej sústavy – cez ventily pri vykurovacom telese, ktoré okrem iného slúžia aj na individuálnu reguláciu. Vzhľadom k tomu, že sa znižuje požiadavka na potrebu tepla v celej budove, je vhodnejšie vykonať centrálnu zmenu požadovanej potreby tepla, a to cez parametre vykurovacej vody na päte vykurovacej sústavy, kde je osadená centrálna, tzv. ekvitermická regulácia. Cieľom príspevku je poukázať na to, ako sa zmenia teplotné parametre vykurovacej sústavy po zateplení budovy a výmene okien, aký je dosah zmeny týchto parametrov na ostatné časti vykurovacej sústavy a ako sa dajú určiť požadované parametre pre upravenie ekvitermickej regulácie po zateplení budovy.

Úvod

Zavedenie energetického hodnotenia budov a požiadavka zatriedenia budovy do energetickej kategórie vyžaduje neustálu snahu vylepšovať a modernizovať budovu počas celej jej životnosti. Z hľadiska energetického hodnotenia sú v súčasnosti v platnosti veľmi prísne kritériá pre tepelno-technické vlastnosti obalových konštrukcií budovy, čo sa prejavuje v praxi zatepľovaním budov a výmenou výplňových konštrukcií. Takýto zásah do obalovej konštrukcie budovy má vplyv aj na systém, ktorý zabezpečuje dodávku tepla do budovy a prenos tepla v budove – na vykurovaciu sústavu. Bez zmien parametrov vykurovacej sústavy je zmena parametrov obalových konštrukcií z energetického hľadiska nepostačujúca.

Tepelná strata budovy závisí jednak od tepelnoizolačných vlastností obalových konštrukcií, jednak od teploty vonkajšieho vzduchu, ktorá sa v priebehu vykurovacieho obdobia neustále mení. Zmenám teploty vonkajšieho vzduchu, a tým spôsobeným zmenám v potrebe dodávky tepla do objektu sa vyrovnáva vykurovacia sústava centrálne prostredníctvom ekvitermickej regulácie. Zateplením budovy sa menia faktory, ktoré majú vplyv nielen na tepelné straty budovy, ale aj na priebeh ekvitermickej regulácie.

Přečtěte si také Kdy lze vyměnit kotel za tepelné čerpadlo. Část 2/4. Nalezení ekvitermní křivky soustavy Přečíst článek

Tepelné zmeny v objekte po zateplení budovy a výmene okien

Tepelné straty budovy ako celku tvorí súčet tepelných strát jednotlivých miestností budovy. Hodnota tepelnej straty miestnosti je závislá od súčiniteľa prechodu tepla konštrukcie, ktorá ohraničuje miestnosť, od veľkosti jednotlivých plôch ohraničujúcich miestnosť a od teplôt, ktorá sú pred a za konštrukciou ohraničujúcou miestnosť.

Tepelnú stratu miestnosti pokrýva výkon vykurovacieho telesa. Tepelný výkon vykurovacieho telesa je závislý od strednej teploty vykurovacieho telesa, ktorá je daná teplotným spádom vykurovacej sústavy.

Prenášaný tepelný tok do vykurovacieho telesa vykurovacou sústavou je ovplyvnený fyzikálnymi parametrami vykurovacej vody, ako je teplotný spád – teplota prívodnej a teplota vratnej vykurovacej vody a hmotnostný prietok.

Na ilustráciu možných tepelných zmien budovy je vybraná obytná budova postavená v osemdesiatych rokoch minulého storočia so zateplením a výmenou okien na základe súčasne platných slovenských technickým noriem.

Hodnoty súčiniteľa prestupu tepla pre jednotlivé obalové konštrukcie pred a po zateplení objektu a výmene okien s vyjadrením jeho percentuálneho poklesu sú zhrnuté v Tab. 1.

Pri zmene tepelno-technických vlastností obalových konštrukcií dochádza k zmene tepelných strát jednotlivých miestností v rôznom pomere. Tento pomer závisí jednak od toho ako sa zmenili tepelno-technické vlastnosti konštrukcie, jednak v akom pomere sú plochy konštrukcie so zmenenými vlastnosťami k celkovej ploche konštrukcií ohraničujúcich miestnosť.

V rámci budovy sú v príspevku porovnávané miestnosti s rôznymi počtami obvodových stien, výplňových konštrukcií a vnútorných stien o rôznej ploche s umiestnením na najvyššom, najnižšom a na typickom podlaží (Obr. 1).

Odovzdávanie tepla v miestnostiach je cez článkové vykurovacie telesá s pôvodným teplotným spádom vykurovacej sústavy 90/70 °C.

Obr. 1 Porovnávané miestnosti objektu

Vyčíslenie tepelných strát porovnávaných miestností a celej obytnej budovy je zhrnuté v Tab. 2 a v grafe na Obr. 2.

Obr. 2 Tepelné straty porovnávaných miestností objektu

Najväčší percentuálny pokles tepelných strát je pri miestnostiach, kde je v najvyššej miere zásah do obalových konštrukcií miestnosti. To znamená, že plocha obalových konštrukcií, kde nastala zmena U-hodnoty konštrukcie je oproti ploche ostatných nezmenených konštrukcií výrazná (rohové miestnosti na najnižšom a najvyššom podlaží). Najmenšia zmena tepelných strát je pri miestnostiach, kde je pomer plochy obalovej konštrukcie so zmenenými U-hodnotami oproti celkovej ohraničujúcej ploche miestnosti malý, je to miestnosť 703. Vzhľadom k tomu, že tento typ miestnosti má v budove značné zastúpenie, percentuálny pokles tepelných strát budovy ako celku sa dosť približuje k percentuálnemu poklesu tepelných strát miestnosti 703.

Ako teda voliť parametre vykurovacej sústavy objektu po zateplení budovy a výmene okien? Odpoveď na túto otázku závisí od voľby prístupu k zásahu do vykurovacej sústavy po zateplení.

Najčastejšie sa po zateplení objektu k zníženej potrebe tepla prispôsobuje vykurovacia sústava znížením hmotnostného prietoku vykurovacej vody. Je potrebné potom robiť zásah do vykurovacej sústavy v každej jej časti, kde sú armatúry vplývajúce na prietok a tlak vo vykurovacej sústave. Pri takomto zásahu do vykurovacej sústavy nie je potrebné zasahovať do teplotného spádu vykurovacej sústavy, a teda ani do ekvitermickej krivky. V takomto prípade je najkritickejším miestom vykurovacej sústavy vykurovacie teleso a armatúra pred ňou v miestnosti, kde sú najväčšie zmeny tepelných strát (rohové miestnosti).

Pri súčasných požiadavkách na tepelno-technické parametre obalových konštrukcií sú pri starších objektoch po zateplení tak veľké poklesy tepelných strát miestností, že pri tomto spôsobe zásahu do hmotnostného prietoku na armatúre pred vykurovacím telesom, technicky nie je možné na armatúre nastaviť požadovaný hmotnostný prietok.

Preto je vhodnejšie pristúpiť k druhému spôsobu zásahu do vykurovacej sústavy po zateplení budovy, a to centrálne cez teplotné parametre vykurovacej sústavy. Tento prístup zásahu do vykurovacej sústavy má dosah aj na ekvitermickú krivku. Po zmene teplotného spádu teplonosnej látky je potrebné prestaviť ekvitermickú krivku pre ekvitermickú reguláciu.

Dôležitou otázkou je, aký teplotný spád bude postačujúci pre dodanie potrebného množstva tepla po zateplení budovy a podľa akých kritérií ho voliť?

Ekvitermická regulácia

Obr. 3 Ekvitermická krivka s klesajúcou tendenciou

Jedným z faktorov, ktoré vplývajú na tepelné straty budovy, je teplota vonkajšieho vzduchu. Tento faktor je oproti ostatným faktorom vplývajúcim na tepelné straty budovy zaujímavý tým, že sa počas dňa neustále mení. Na základe jej zmeny sa potom v priebehu dňa menia aj tepelné straty budovy a teda aj požiadavka na dodávané množstvo tepla.

Závislosť zmeny teploty prívodnej vykurovacej vody od zmeny teploty vonkajšieho vzduchu vyjadruje ekvitermická krivka. Táto závislosť je nelineárna, jej priebeh kopíruje tepelno-izolačné vlastnosti obalových konštrukcií vyjadrené cez U-hodnotu konštrukcie a charakteristiku odovzdávania tepla. Strmosť ekvitermickej krivky udáva teploty prívodnej vykurovacej vody. Čím je táto teplota vyššia, tým je ekvitermická krivka strmšia (Obr. 3).

Obr. 4 Schéma zapojenia trojcestného ventilu pri ekvitermickej regulácii
M – servopohon trojcestného ventilu, R – ekvitermický regulátor, TT01 – teplota prívodnej vykurovacej vody, TT02 – teplota vonkajšieho vzduchu, TT03 – teplota vykurovaného priestoru

Druhým spôsobom prispôsobenia sa vykurovacej sústavy poklesu tepelných strát budovy po jej obnove je zmena teplotného spádu vykurovacej sústavy. Toto je možné v tom prípade, ak je na vstupe vykurovacej sústavy realizovaná ekvitermická regulácia vykurovacej sústavy. V ostatnom prípade je potrebná jej dodatočná realizácia.

Ekvitermická regulácia sa uskutočňuje sa prostredníctvom trojcestného zmiešavacieho ventilu (Obr. 4).

Voľba teplotného spádu vykurovacej sústavy po zateplení a jeho vplyv na ekvitermickú reguláciu

Nakoľko je zmena tepelných strát jednotlivých porovnávaných miestností a celej budovy po zateplení objektu a výmene okien rôzna, odlišné budú aj teplotné parametre teplonosnej látky.

Dodanie potrebného tepla do budovy po zateplení je pri zmene teplotných parametrov vykurovacej sústavy najkritickejší do miestností, kde je najmenšia percentuálna zmena tepelných strát. Podľa Tab. 2 je najmenšia percentuálna zmena tepelných strát pri miestnosti 703. Ak sa po zateplení budovy pri zmenených teplotných parametroch vykurovacej sústavy dodá teplo v potrebnom množstve do tejto miestnosti, tak bude pri týchto istých teplotných parametroch dodané množstvo tepla postačujúce aj pre ostatné miestnosti. Za referenčnú miestnosť pre určenie teplotného spádu vykurovacej sústavy sa určuje miestnosť 703.

Požadované hodnoty teplotného rozdielu vykurovacej vody, strednej teploty vykurovacieho telesa a z týchto parametrov vyplývajúci teplotný spád vykurovacej vody pre porovnávané miestnosti po zateplení objektu a výmene okien sú zhrnuté v Tab. 3.

Výsledky teplotných parametrov vykurovacej sústavy zhrnuté v Tab. 3 poukazujú taktiež na to, že miestnosť 703 je určujúca pre voľbu teplotného spádu vykurovacej vody. Pri tejto miestnosti je hodnota požadovanej strednej teploty vykurovacieho telesa, teda aj prívodnej vykurovacej vody najvyššia. Takisto v tejto miestnosti vychádza najväčší teplotný rozdiel vykurovacej vody, a teda aj najvyšší teplotný spád vykurovacej vody.

Zvoleným teplotným spádom vykurovacej vody po zateplení objektu a výmene okien je hodnota 72/58 °C.

Zmena teplotného spádu vykurovacej sústavy vplýva na ekvitermickú krivku. Je potrebné prestaviť ekvitermickú krivku z krajnej polohy teploty prívodnej vykurovacej vody 90 °C na hodnotu 72 °C. To znamená, že ekvitermická krivka sa stáva plochejšou, čo predstavuje zlepšenie tepelno-izolačných vlastností obalových konštrukcií. Čím sú horšie tepelno-izolačné vlastnosti obalových konštrukcií, tým je priebeh ekvitermickej krivky strmší. Ak by zostala ekvitermická krivka v pôvodnom nastavení, výsledok ekvitermickej regulácie by bol časté skokové prestavovanie percentuálneho pomeru otvárania a zatvárania priamej cesty trojcestného zmiešavacieho ventilu. Prestavením ekvitermickej krivky sa dosiahne plynulé otváranie priamej cesty trojcestného ventilu ekvitermickej regulácie pri poklese teploty vonkajšieho vzduchu a recipročne plynulé zatváranie priamej cesty trojcestného ventilu ekvitermickej regulácie pri stúpnutí teploty vonkajšieho vzduchu.

Vplyv zmeny teplotného spádu po zateplení na hmotnostné prietoky vo vykurovacej sústave

Po zmene teplotného spádu vykurovacej vody a prestavení ekvitermickej krivky bude do vykurovacích telies, kde bola vypočítaná nižšia požadovaná teplota prívodnej a vratnej vykurovacej vody, a teda nižší teplotný spád, dodávaný iný hmotnostný prietok vykurovacej vody ako pôvodný. Ak sa armatúra pred vykurovacím telesom nebude prestavovať, potom zostane pred vykurovacími telesami pôvodný prietok, bude spôsobený tzv. nadprietok. Vzniknuté nadprietoky budú do vykurovacieho telesa odovzdávať väčšie množstvo tepla, tzv. prebytok tepla. Hodnoty vzniknutých tzv. nadprietokov dopravovaného hmotnostného prietoku a možné tzv. prebytky dodaného množstva tepla sú zhrnuté v Tab. 4.

Nadprietoky hmotnostného prietoku teplonosnej látky, a tým zapríčinené možné prebytky dodaného tepla po prestavení ekvitermickej krivky predstavujú pri jednotlivých typoch miestností hodnotu do 25 %, pri miestnosti 101 to je 37 %, pre celý objekt predstavuje nadprietok hodnotu 13 %.

Na Obr. 5 je znázornený prehľad zmien dodaného množstva tepla pred zateplením, po zateplení, po zmene ekvitermickej krivky a prebytok dodaného tepla po prestavení ekvitermickej krivky bez zásahu do nastavení armatúr pred vykurovacím telesom.

Obr. 5 Tepelné podmienky v objekte pred a po zateplení

S danými hodnotami nadprietoku alebo prebytočného tepla (Tab. 4) sa pri nižšom podiele môžu vysporiadať regulačné armatúry pred vykurovacími telesami. Pri vyšších hodnotách nadprietoku je vhodnejšie nastavenie regulačných armatúr pred vykurovacími telesami prestaviť a znížiť hodnotu hmotnostného prietoku teplonosnej látky na požadovanú, a tým pádom docieliť presnú hodnotu požadovaného dodávaného množstva tepla po zateplení.

Táto skutočnosť je aj preto dôležitá, lebo presnosť nastavenia požadovaného množstva tepla po zateplení bude vplývať aj na presnosť ekvitermickej regulácie obnoveného objektu.

Záver

Zmena tepelno-technických vlastností obalových konštrukcií objektu po zateplení objektu a výmene okien znižuje energetickú náročnosť budovy len vtedy, keď sa zmeneným podmienkam prispôsobí aj vykurovacia sústava. Pri súčasných požiadavkách na tepelno-technické vlastnosti obalových konštrukcií jestvujúcich budov je potrebné po zateplení objektu zasiahnuť aj do ekvitermickej regulácie prostredníctvom úpravy ekvitermickej krivky, t.j. upraviť teplotu prívodnej a vratnej vykurovacej vody. Zásah do ekvitermickej krivky zlepšuje plynulosť pôsobenia ekvitermickej regulácie na prácu trojcestného zmiešavacieho ventilu ekvitermickej regulácie. Zásah do ekvitermickej krivky prostredníctvom úpravy teploty vykurovacej vody však v úplnej miere nevylučuje potrebu zásahu do nastavenia armatúr pred vykurovacími telesami, zmierňuje však mieru zásahu a zabezpečuje možnosť dosiahnutia požadovaných hmotnostných prietokov na armatúrach pred vykurovacími telesami po zateplení objektu.

Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0118/23.

Literatúra

1. Zákon č. 555/2002 o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov
2. Zákon č. 321/2014 Zákon o energetickej efektívnosti a o zmene a doplnení niektorých zákonov
3. STN EN 12098-1 Regulácia vykurovacích systémov – Časť 1: Regulácia teplovodných vykurovacích systémov v závislosti od vonkajšej teploty.
4. STN EN 15232 Energetická hospodárnosť budov. Vplyv komplexného automatického riadenia a správy budov.
5. STN 73 0540-2/Z1+Z2 Tepelná ochrana budov. Tepelno-technické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky. 2019.
6. STN 12 831-1 Energetická hospodárnosť budov. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu. Časť 1: Tepelný príkon, Modul M3-3. 2018.
7. Ehrenwald, P. – Kurčová, M.: Ekvitermická regulácia- známa i neznáma. In Vykurovanie 2014 : zborník prednášok z 22. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému „Energetické, environmentálne a ekonomické hodnotenie vykurovacích systémov“. Stará Ľubovňa, SR, 3.–7. 3. 2014. 1. vyd. Bratislava : SSTP, 2014, s. 323-326. ISBN 978-80-89216-61-1.
8. Kurčová, M.: Správanie sa trojcestných ventilov pri ekvitermickej regulácii. In Vykurovanie 2021 : zborník prednášok z 29. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému „Alternatívne zdroje energie pre budovy s takmer nulovou potrebou energie“. Horný Smokovec, SR, 21.–25. 6. 2021. 1. vyd. Bratislava : SSTP, 2021, s. 333-336. ISBN 978–80–89878–72–7.
9. Füri, M.: Ekvitermická regulácia a zatepľovanie budov. In Vykurovanie 2024 : zborník prednášok z 32. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému „Zelená dohoda a budúcnosť zásobovania teplom“. Horný Smokovec, SR, 12.–16. 2. 2024. 1. vyd. Bratislava : SSTP, 2024 s. 4113416. ISBN 978–80–8284–024–0.
10. Füri, M.: The effect of building renovation on the physical parameters of the heating system. Proceedings of the 14^th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources, “EXPRES 2024”, held on April 04-06, 2024 in Subotica, Serbia, pp. 23–27, ISBN 978-86-82912-00-2.