Energetické systémy nízkoenergetických objektov

Stavebné objekty sa z hľadiska potreby energie na vykurovanie môžu deliť na:
•    zvyčajnú výstavbu so spotrebou tepla na vykurovanie 80 až 140 kWh/(m² . a),
•    energeticky úsporné objekty so spotrebou tepla 50 až 70 kWh/(m² . a),
•    nízkoenergetické objekty so spotrebou ≤ 50 kWh/(m² . a),
•    pasívne objekty so spotrebou ≤ 15 kWh/(m² . a),
•    nulové objekty so spotrebou < 5 kWh/(m² . a),
•    plusové objekty, ktoré sú schopné potrebné množstvo energie na prevádzku vyprodukovať samé.
 
Na vykurovanie nízkoenergetických objektov poznáme z hľadiska hlavného zdroja energie tieto energetické systémy:
•    systémy využívajúce obnoviteľné zdroje energie (solárne systémy, geotermické systémy, kombinované systémy a systémy na báze biomasy),
•    systémy využívajúce elektrickú energiu ako hlavný zdroj energie,
•    systémy využívajúce neobnoviteľné zdroje energie.
Z hľadiska využívania zdrojov energie poznáme pasívne a aktívne systémy.

1086674
Starex

Solárne systémy

Patria sem predovšetkým pasívne solárne systémy, ktoré môže využívať celý dom alebo len niektoré z jeho častí. Energia sa transportuje len prirodzenou cestou, bez pomoci technických zariadení. Vhodným návrhom možno pri pasívnom slnečnom vykurovaní výrazne znížiť spotrebu tepla.

Akumulačné solárne steny
Sú orientované na juh a pracujú na princípe solárneho kolektora. Základným predpokladom týchto stien je použitie masívnych stavebných materiálov a vytvorenie masívnych konštrukcií z materiálov s vysokou tepelnou kapacitou. Konštrukcie sa správajú ako tepelný zásobník, pričom sa nabíjajú tepelnou energiou pri slnečnom svite. Zabraňuje sa tak prehriatiu a následne pri poklese teploty sa uvoľňuje nahromadené teplo radiáciou.

Nezasklený solárny vzduchový kolektor
Základom nezaskleného solárneho vzduchového kolektora je tmavý, dierovaný trapézový plech, ktorý sa umiestňuje na fasádu vo vzdialenosti 2 až 4 cm od zateplenej obvodovej steny. Ventilátor vytvára podtlak medzi fasádou a plechom, a tým dochádza k nasávaniu vzduchu do dutiny cez dierovanie. Vzduch stúpa dutinou, zohrieva sa a je ďalej rozvádzaný bežným vetracím zariadením.

Energetické fasády
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 celý dom.

Dvojité transparentné fasády
Pri dvojitých transparentných fasádach ide, podobne ako v predchádzajúcom prípade, o vzduchový kolektor, ktorý tvoria sklenené dosky presadené pred obvodovou presklenou konštrukciou. Vo vzniknutej dutine sú ešte umiestnené tieniace prvky a otvory umožňujúce reguláciu vzduchu vo vonkajšom plášti.

Energetická strecha
Energetická strecha je vzduchový kolektor zabudovaný do roviny strešnej konštrukcie. Väčšinou sa kombinuje so stenovým vzduchovým kolektorom. Na dosiahnutie dostatočného účinného vztlaku pri letnej prevádzke s prirodzenou cirkuláciou vzduchu je nevyhnutný určitý výškový rozdiel medzi vstupom a výstupom vzduchu. Z tohto dôvodu je systém vhodný pre šikmé strechy s uhlom sklonu najmenej 30°.

Transparentná izolácia
Ide o materiály, ktoré výhodne kombinujú dve základné vlastnosti požadované pri zasklievacích prvkoch v solárnej technike – dobrú priepustnosť slnečného žiarenia a nízku tepelnú stratu. Vyrábajú sa zo skla alebo z plastov.

Geotermické systémy

Systémy využívajúce priamo geotermickú (geotermálnu) tepelnú energiu na bežnú výstavbu sú pomerne ojedinelé a ekonomicky náročné. Vo väčšej miere sa budujú nepriame systémy s nasadením tepelného čerpadla využívajúce povrchové zemské teplo prostredníctvom teplovýmenných registrov uložených v predpísanej hĺbke v zemskom plášti. Úspešne sa využívajú aj základové pilóty s integrovaným rúrovým tepelným výmenníkom, tzv. energetické pilóty.

Kombinované systémy s aktívnou tepelnou ochranou

Veľkosť tepelných strát v zimnom období cez 1 meter štvorcový obvodovej steny závisí priamo úmerne od rozdielu teplôt interiérového a exteriérového vzduchu a nepriamo úmerne od tepelného odporu steny. V štandardne riešených pasívnych domoch sa tepelné straty cez obvodové steny znižujú aplikáciou čo najväčšej hrúbky vysokoúčinnej tepelnej izolácie (ide o tzv. pasívnu tepelnú ochranu budovy). Existuje však aj iný spôsob, ako možno znížiť tepelné straty cez obvodové steny. Tento spôsob je charakteristický využitím solárnej, geotermickej energie prostredníctvom aktívnej tepelnej ochrany obalových konštrukcií. Obalová konštrukcia s aktívnou tepelnou ochranou využíva na zníženie tepelných strát solárnu a geotermickú energiu prostredníctvom tepelných bariér.

Je známe, že v hĺbke asi 2 m pod povrchom zeme je stála teplota zeminy 5 až 10 °C, a to v lete aj v zime, nezávisle od zemskej atmosféry. Niekedy sa táto teplota nazýva pivničnou teplotou. V zime ju pociťujeme ako teplo a v lete ako chlad. Množstvo energie na vykurovanie domu sa určuje podľa jednotlivých teplotných rozdielov medzi exteriérom a interiérom. Ak by sa táto nevyčerpateľná energia uzavrela v obvodových fasádach budovy vo forme teploty s hodnotou 10 °C, vytvorila by sa tepelná bariéra. Energetická spotreba domu by tak závisela len od rozdielu vnútornej teploty od teploty tepelnej bariéry bez ohľadu na to, ako klesne vonkajšia teplota.

Tepelné čerpadlo
Tatramat

Ako však môžu byť obvodové steny zásobované zemským teplom? V podlahe pivnice, respektíve v hĺbke asi 2 až 3 m pod zemským povrchom, sa položí potrubie, v ktorom cirkulujúca voda absorbuje zemské teplo. Čerpadlom sa potom dopraví do potrubného systému vo vonkajších stenách podobne, ako to je pri stenovom veľkoplošnom vykurovaní. Dôležitou podmienkou však je, aby sa izolovala základová doska budovy (nepodpivničenej aj podpivničenej). Prúd tepla prichádzajúci z vnútra zeme sa potom pod základovou doskou zastaví a teplota stúpa, kým sa nedosiahne rovnováha s prúdom tepla unikajúcim do atmosféry po stranách budovy. Teplota sa, samozrejme, zvýši aj vtedy, ak budova nie je priamo vykurovaná. Nárast teploty okrem iného závisí aj od hĺbky základov a pôdorysnej plochy budovy. Jej hodnota je v súčasnosti 2 až 4 Kelviny (K), takže teplota v tepelnej bariére dosahuje asi 10 až 12 °C. Trendom je tento teplotný rozdiel ďalej znižovať, teda zvyšovať teplotu v tepelnej bariére až na teplotu vykurovaného interiéru bez potrebného prísunu energie. V interiéri sa, samozrejme, zohľadňujú aj solárne zisky, ale i zisky od vnútorných zdrojov – od užívateľa, ale aj od všetkých spotrebičov (TV, PC, varenie atď.). Tu prišiel fyzik Dipl. Ing. Edmond D. Krecké na myšlienku využiť ďalší, nevyčerpateľný, výkonný a lacný zdroj energie – slnko. Tak Slovensko, ako aj Česká republika majú vhodné podmienky na exploatáciu slnečnej energie na vykurovanie obytných stavieb a na prípravu teplej vody. Ide najmä o intenzitu slnečného žiarenia a počet hodín jeho svitu. Klimatické podmienky nie sú síce také atraktívne ako v Stredomorí, ale sú oveľa priaznivejšie ako napríklad v Škandinávii či vo Švajčiarsku a Rakúsku, kde je výstavba slnečných domov na dedinách rozšírená a štátom výrazne podporovaná. Priemerný ročný objem slnečného žiarenia v našich podmienkach predstavuje energiu asi 1 200 kWh/(m2 . a) pri horizontálnych plochách. Vďaka slnku má ľudstvo k dispozícii zdroj energie, pomocou ktorého môže vytvárať tepelnú pohodu v budovách prakticky zadarmo. Vďaka zemi máme k dispozícii zdroj energie na chladenie, ako aj akumulátor na ukladanie solárneho tepla. Využitie solárnej energie spolu s podpovrchovou geotermickou energiou spája jednoduchým spôsobom výhody oboch princípov – solárnej techniky a využitia zemského tepla. Tento systém však ešte nie je v praxi spoľahlivo a dlhodobo overený.

Stavebná technológia umožňuje veľmi rýchlu výstavbu. Antikorový výmenník tepla sa vyrobí za niekoľko hodín priamo na stavbe, čím odpadá preprava niekoľko desiatok metrov dlhej rúry na stavenisko. Rúra sa prisype zeminou a urobia sa vystužovacie práce na základovej doske. Medzi výstuž sa umiestnia plastové potrubia. Po vyhotovení základovej dosky sa na stavbe osadí stratené debnenie stien a  zaleje sa betónom. Stratené debnenie stien je z dvoch polystyrénových dosiek spojených špeciálnymi spojovacími prvkami. Na stropnú konštrukciu sa taktiež použije stratené debnenie. Stavebný systém umožňuje použitie šikmých aj plochých striech. Do strechy sa umiestnia plastové potrubia, ktorými sa v letnom období odvádza teplo do zemného zásobníka tepla. Po dokončení hrubej stavby sa zemný zásobník tepla zaizoluje vysokoúčinnou tepelnou izoláciou. V dome treba použiť výplne otvorov, ktoré spĺňajú požiadavky na nízkoenergetické (pasívne) domy. Polystyrén použitý v stratenom debnení sa omieta omietkovými systémami, ktoré sa používajú pri kontaktných zatepľovacích systémoch.

Systémy na báze biomasy

Biomasa sa môže nasadiť ako vhodný zdroj tepelnej energie aj v nízkoenergetických domoch. Pri návrhu treba však mať na pamäti zvýšené požiadavky na skladovanie, manipuláciu s palivom a so zniknutým odpadom po procese spaľovania.

Energetické systémy na vykurovanie nízkoenergetických objektov z hľadiska prevažného spôsobu odovzdávania tepla do priestoru možno rozdeliť na:
• konvekčné systémy,
• sálavé systémy,
• kombinované systémy.

Výstavba slnečných domov sa rozbieha pozvoľna.
IVT

Konvekčné systémy

Pri konvekčnom spôsobe vykurovania sa teplo z vykurovacieho telesa šíri prúdením a priamo ohrieva vzduch. Od tepla vzduchu sa ďalej ohrievajú okolité stavebné konštrukcie. Platí pritom, že teplota vzduchu je vyššia ako teplota okolitých plôch, respektíve tzv. účinná povrchová teplota okolitých plôch. Súčasne je tým nižšia (v závislosti od teploty vzduchu), čím menšia je tepelnoizolačná schopnosť (tepelný odpor) stavebných konštrukcií ohraničujúcich interiér, a čím nižšia je vonkajšia teplota vzduchu. Pri stavebných konštrukciách (osobitne obvodových) s dostatočnou tepelnoizolačnou schopnosťou je potom rozdiel medzi teplotou vzduchu a účinnou teplotou okolitých plôch v rozmedzí 2 až 3 K.

Sálavé systémy

Tento spôsob vykurovania je založený na odovzdávaní tepelného toku sálaním. Platí pritom, že účinná povrchová teplota okolitých plôch je vyššia ako teplota vzduchu. Ak sa sálavá vykurovacia plocha umiestni v jednej alebo na jednej zo stavebných konštrukcií (najčastejšie strop, podlaha alebo stena), hovorí sa o veľkoplošnom sálavom vykurovaní. Vychádzajúc z podmienky, že teplota vzduchu je menšia ako účinná teplota okolitých plôch, teplota vzduchu je tým nižšia od účinnej teploty, čím menšia je tepelnoizolačná schopnosť ohraničujúcich stavebných konštrukcií, a čím nižšia je vonkajšia teplota vzduchu.

Kombinované systémy

Vývoj vedy a techniky v oblasti vykurovania budov priniesol aj nový trend tzv. kombinovaného vykurovania. Teplo sa odovzdáva sálaním aj konvekciou súčasne buď v jednom vykurovanom priestore, alebo v stavebnom objekte ako celku s odlíšením jednotlivých priestorov (podlaží, zón, miestností a podobne) podľa charakteru prenosu tepla a hmoty. Možné sú viaceré kombinácie systémov z hľadiska spôsobu odovzdávania tepla, napríklad: konvekčný-konvekčný, konvekčný-sálavý, sálavý-sálavý.

Pri voľbe vykurovacieho systému možno konštatovať: čím menej sa teplota vzduchu a okolitých plôch od seba odlišujú, tým sa človek cíti príjemnejšie. Z tohto hľadiska je hygienicky najvýhodnejšie vykurovanie (a stavebné riešenie domu vrátane konštrukcie stien a okien), pri ktorom majú všetky plochy miestnosti vrátane vykurovacích telies podobnú teplotu. Takto vytvorené teplotné pomery môžeme prirovnať k teplotným pomerom v tejto miestnosti počas príjemného letného dňa.