Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra Informatiky a kvantitativních metod
Regulace spotřeby energie v domech a bytech Bakalářská práce
Autor:
Miroslav Flígr Informační technologie
Vedoucí práce:
Praha
Ing. Martin Uher
Červen, 2016
Prohlášení Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.
V Táboře dne …….
Anotace V úvodní části detailně rozebrán význam slova vytápění – jak využívá informací o teplotě uvnitř místnosti, okolních teplotách apod. Dále je předveden postup výpočtu tepelných ztrát objektu a taktéž určení potřebného tepelného příkonu otopného zařízení. Další kapitola je věnována osvětlení, zejména vnitřních a obytných prostor. Jsou zde popsány parametry pro určení světelného prostředí, jak je třeba svítidla provozovat a udržovat a rovněž jejich energetické požadavky. V další kapitole jsou shrnuty úspory, které můžeme v oblastech vytápění a osvětlení implementovat obytných budovách. Rovněž je zde popsána možnost využití inteligentního řízení. Tato kapitola je zakončena managementem energií.
Klíčová slova Vytápění, tepelné ztráty, tepelná pohoda, osvětlení, LED, úspory, regulace, inteligentní ovládání, Loxone
Abstract In the first part analyzed in detail the meaning of the word heating - how it uses information about the temperature inside místnosit, ambient temperature, etc. Furthermore, it is shown the procedure to calculate heat loss and also determine the required heat output of the heating system. Another chapter is devoted to lighting, especially internal and residential space. There are described the parameters for determining the lighting environment as needed lamps operate and maintain as well as their energy requirements. In the next chapter summarizes the savings that can be in the areas of heating and lighting implement residential buildings. There is also described the possibility of using intelligent control. This chapter is finished energy management.
Keywords Heating, heat loss, thermal comfort, lighting, LED, savings, control, intelligent control, Loxone
Obsah Úvod ...................................................................................................................................................1 1.
2
3
4
5
Vytápění .....................................................................................................................................3 1.1
Fyziologické hledisko vytápění .............................................................................................3
1.1
Vytápění interiérů................................................................................................................4
1.2
Výpočet tepelných zrát – Norma ČSN 12831 ........................................................................6
1.3
Výpočet topného příkonu .................................................................................................. 11
1.4
Teplota vnitřního vzduchu, účinná teplota okolních ploch a globeoteplota ........................ 11
1.5
Zdroje tepla pro vytápění................................................................................................... 12
Osvětlení ................................................................................................................................... 17 2.1
Kvalitativní parametry osvětlení osvětlovacích soustav ...................................................... 18
2.2
Osvětlení interiérů ............................................................................................................. 22
2.3
Osvětlování vnitřních pracovních prostor ........................................................................... 23
2.4
Osvětlování bytů................................................................................................................ 26
Úspory ...................................................................................................................................... 29 3.1
Úspory ve vytápění ............................................................................................................ 29
3.2
Pasivní dům ....................................................................................................................... 31
3.3
Energeticky standardní dům .............................................................................................. 31
3.4
Zateplení ........................................................................................................................... 32
3.5
Solární systémy pro přípravu teplé vody a podporu vytápění ............................................. 34
Úspory osvětlení ....................................................................................................................... 35 4.1
Zdroje světla ...................................................................................................................... 37
4.2
Úspory pomocí inteligentního ovládání.............................................................................. 40
4.3
Spotřeba energií v budovách ............................................................................................. 41
Příklad možných úspor .............................................................................................................. 53
Závěr ................................................................................................................................................ 55 Seznam použité literatury ................................................................................................................. 57
Úvod Každý z nás určitě zaznamenal v poslední době nárůst cen všech druhů energie. Je zřejmé, že tyto výdaje tvoří nemalou část rodinného rozpočtu. Stále více si začínáme uvědomovat, jakou má teplo, voda či elektrická energie skutečnou hodnotu. Přestože ceny energií jsou stále nižší než v okolních zemích, již nyní tvoří výdaje na energii v průměrné rodině 15 - 20% z příjmů domácnosti. Současná spotřeba tepla na vytápění 1 m2 je například 2 až 3 krát vyšší než v severských zemích, které se nacházejí v chladnějším klimatickém pásmu. Proto je třeba už nyní se zamýšlet jako energii co nejlépe a nejefektivněji využívat. V této nelehké ekonomické situaci, v níž se většina domácností momentálně nachází, je otázka šetření energií na místě, avšak dostupných informací je v této oblasti stále nedostatek. Stále více a více lidí se začíná zajímat o energetické poradenství, hledají možnosti, jak neztratit ze své úrovně komfortu a zároveň platit za energii méně. Světová spotřeba energie neustále stoupá a jedním z mnoha důvodů-problémů je například užívání neefektivních, neúčinných a energeticky nevýhodných spotřebičů v domácnostech. Například v České republice zastupuje celých 25% spotřebované celkové energie v domácnostech. Není to sice tolik, jako spotřeba energie v dopravě, ale i tak je to více než dost. Průměrná roční spotřeba české domácnosti činí 2 500 kWh. To zhruba odpovídá množství elektřiny dodané do bytu, kde žijí 2-3 osoby, používají běžné elektrické spotřebiče, avšak nevyužívají elektrický ohřev vody. Průměrnou domácností je myšlena 3 členná rodina na 80m2. Předpokládáme, že dokážeme snížit tuto spotřebu alespoň o 20%. Pak by se spotřeba snížila na 2 000 kWh. V podstatě jde o to, kdyby více lidí používalo úspornější elektroniku, mělo by to velký dopad na světovou spotřebu energie a tím pádem i na ekologii celé planety Země. Lidé v dnešní době z důvodu ekonomické krize chtějí ve spoustu směrech ušetřit, a tudíž nepřehlíží ani úspory v elektřině a čím dál více si zjišťují informace o úsporných spotřebičích a tzv. chytrých spotřebičích, které značně ovlivňují úspory v každé domácnosti. Dalším důvodem vysoké spotřeby energie je pouze v některých případech vytápění, které se nezdá být efektivní, pokud nemáte správně těsnící okna, nemáte správnou tepelnou izolaci a případně nevyužíváte benefitů energie ze solárních zdrojů a z toho důvodu jsem si vybral toto téma své bakalářské práce, ve které bych se rád věnoval úsporám těchto energií. Zejména jsem si vybral složku vytápění a osvětlení, s přihlédnutím k vlivu moderních inteligentních ovládacích systémů. Dle tohoto jsem svou práci rozdělil na 3 hlavní kapitoly – vytápění, osvětlení a úspory. V těchto kapitolách bude mým cílem zejména podat ucelené informace o návrhu vtápění – výpočtu tepelných ztrát či potřebného tepelného příkonu 1
otopných zdrojů, dále jak se navrhuje osvětlení a hlavní části bude popis možných úspor v rámci těchto oblastí. Také zde zahrnu možnost ovládání pomocí inteligentního systému – řízení energií atd.
2
1. Vytápění 1.1 Fyziologické hledisko vytápění Z hlediska tepelné techniky se lidské tělo chová jako generátor a výměník tepla. Při látkových přeměnách v lidském těle se uvolňuje tepelná energie, jejíž množství závisí především na intenzitě fyzické činnosti a na hmotnosti těla. Dalšími ovlivňujícími činiteli jsou tepelné vlastnosti oděvu a stav obklopujícího prostředí. Protože vnitřní teplota lidského těla musí zůstat přibližně stálá (pro většinu lidí v rozmezí 36,6 až 36,9 oC), musí být vzniklé teplo odváděno do okolí. Pro psychický stav a pocity člověka je důležité, aby bylo dosaženo rovnováhy mezi produkovaným a odváděným teplem. Tento stav tepelné rovnováhy je nezbytným předpokladem k dosažení pocitu tepelné pohody. Stav tepelné rovnováhy, při němž může mít člověk pocit tepelné pohody, lze docílit odváděním právě produkovaného tepla z povrchu těla. To se děje jednak u každého tělesa, jehož teplota je vyšší než teplota okolí (vedením, prouděním a sáláním), jednak vypařování vody a dýcháním. Stav tepelné rovnováhy člověka lze tedy obecně vyjádřit rovnicí Qm = Qd +Qk + Qs + Qv + Qvz [W] Kde Qm [W]………je celkový tělesný metabolismus Qd [W]……….tepelný výkon odváděný vedením tepla (kondukcí) Qk [W]……….tepelný výkon odváděný prouděním (konvekcí) Qs [W]……….tepelný výkon odváděný sáláním (radiací) Qv [W]………tepelný výkon odváděný vypařováním-latentní Qvz [W]………tepelný výkon odváděný vydechováním O tepelných pocitech člověka v uzavřených místnostech rozhoduje tedy několik faktorů -
stupeň fyzické námahy (vnitřní produkce tepla Qm)
-
tepelně izolační schopnost oděvu (tepelná propustnost t)
-
teplota okolního vzduchu tv 3
-
účinná teplota okolních ploch tp
-
vlhkost okolního vzduchu (relativní vlhkost)
-
rychlost proudění vzduchu
1.1 Vytápění interiérů K stavu tepelné pohody značnou měrou přisívá rozložení teploty na stěnách, podlaze a stropu v místnosti. Není-li teplota těchto ploch ve funkční rovnováze s teplotou vzduchu ve vytápěném prostoru, vzniká u člověka v prostoru pocit přílišného tepla nebo chladu. Tento stav je názorně ukázán na obr. 1 pro rozsah vzduchu v prostoru v rozmezí od 10oC do 30oC
Obr (1) Tepelná pohoda člověka v závislosti na teplotě stěn, Zdroj: Wikipedia Teplota vzduchu ve vytápěné místnosti není konstantní. Její rovnoměrnost zejména ve vertikálním směru hraje důležitou roli a slouží jako kritérium pro posouzení kvality 4
jednotlivých systémů vytápění. Rozložení teploty je dáno nestejnoměrným ochlazováním vnitřních ploch a nerovnoměrným přívodem tepelné energie do vytápěného prostoru. Optimální rozložení teploty s ohledem na fyziologii člověka a psychologické ovlivnění je popsáno na obr. 2. Vertikální průběhy se liší v závislosti na výšce místnosti pro různé zdroje Vertikální průběh teploty vzduchu ve vytápěné při jejím různém způsobu vytápění I. ideálně požadovaný průběh, II. podlahové vytápění s ochlazovaným stropem, III. Článkové otopné těleso, IV. Stropní vytápění
Obr (2) Vertikální průběh teploty vzduchu ve vytápěné při jejím různém způsobu vytápění, Zdroj: Wikipedia
Z těchto informací můžeme určit základní požadavky, které má splňovat elektrické vytápění -
vytvořit tepelnou pohodu ve vytápěném prostoru vytvořením rovnoměrného rozložení teplot zejména ve vertikální rovině s mírně zvýšenou teplotou v blízkosti podlahy.
-
regulovat teplotu v určitých mezích rychle bez setrvačnosti
-
neznehodnocovat vzduch v prostoru prachem, škodlivými plyny a parami
-
zajistit přijatelné investiční a provozní náklady
5
Tab.(1) Způsob ochlazování místností, Zdroj: Wikipedia
Tab. (2) výpočtové hodnoty vnitřní teploty pro různé typy místnosti, Zdroj: Wikipedia
1.2 Výpočet tepelných zrát – Norma ČSN 12831 K zajištění požadovaného tepelného stavu vnitřního prostředí v zimním období se musí přivádět do budovy tepelné energie. V důsledku rozdílů teplot mezi vnitřním a vnějším prostředím dochází k šíření tepla z budov do vnějšího prostředí. Šíření tepla z budov do vnějšího prostředí. Šíření tepla se uskutečňuje jednak prostupem světla stavebními
6
konstrukcemi, jednak vzduchem proudícími spárami, styky a netěsností oken, dveří a stavebních konstrukcí. Pro výpočet tepelných ztrát jsou nutné tyto podklady: -
situační výkres s udáním polohy budovy ke světovým stranám včetně převládajícího směru větrů a zařazení do příslušné teplotní oblasti
-
půdorysy a řezy, s nichž jsou patrné rozměry místností, oken, dveří, světlá a konstrukční výška
-
údaje o materiálech a konstrukci stěn a podlah, stropů a střech pro zajištění součinitele prostupnosti tepla
-
údaje o konstrukci a typu oken a dveří
-
údaje o provozním režimu budovy a o využití jednotlivých místností z důvodu určení vnitřní teploty ti a předpokládané doby vytápění jednotlivých místnostech
Celková tepelná ztráta místnosti Qc prostupu tepla Qp a tepelných ztrát infiltrací a Qv větráním: Qc = Qp + Qv
[W]
Do tepelné ztráty prostupem je třeba kromě základní ztráty Qo zahrnout přirážky na vyrovnání vlivu chladných stěn p1 a urychlení zátopu p2 Qp = Qo . (1 +p1 + p2 + p3)
[W]
Kde je : p1 přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí p2 přirážka na urychlení zátopu (tuhá paliva) p3
přirážka na světovou stranu
Základní tepelná ztráta vzniklá prostupem tepla [W] Qp = k1 S1 ( ti – te1 ) + k2
2
( ti – te2 ) + kn Sn ( ti – ten ) =
7
Kde: S1, S2, …Sn
ochlazovaná část stavební konstrukce [m2 ]
k1, k2,.…kn
součinitel prostupu tepla ( Wm-2 K-1 )
ti :
výpočtová vnitřní teplota [ 0C ]
te1, te2, …ten
výpočtová teplota prostředí na vnější straně konstrukce [ 0C ]
( výpočtová teplota v sousední místnosti, nebo výpočtová venkovní teplota )
p1 : přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí umožňuje zvýšení teploty vnitřního vzduchu tak, aby i při nižší povrchové teplotě ochlazovaných konstrukcí bylo ve vytápěné místnosti dosaženo požadované výpočtové vnitřní teploty ti, pro kterou se počítá základní tepelná ztráta
. Je závislá na průměrném součiniteli prostupu tepla všech konstrukcí
místnosti kc.
kc = Kde je: celková plocha všech konstrukcí ohraničujících vytápěnou místnost [ m2 ].
Dle ČSN 06 02 10 se plochy stropů, podlah a svislých stěn vypočítají z místností, jen u výšky se počítá s konstrukční výškou podlaží. Plocha okenních a dveřních otvorů se stanoví včetně rámů a zárubní. ti
vnitřní výpočtová teplota [ 0C ]
te
výpočtová venkovní teplota [ 0C ]
p1 = 0,15 . kc p2
přirážka na urychlení zátopu (tuhá paliva)
Tepelná ztráta větráním
8
= 1 300 . Vv. ( ti – te )
Kde je: : objemový tok větracího vzduchu ( m3s-1 ), za Vv se dosazuje větší
Vv
z hodnot
a
. Musí vycházet z hygienických nebo technologických požadavků.
Tyto jsou dány potřebnou intenzitou výměny vzduchu nh ( h-1 ), viz Vyhláška o obecných technických požadavcích na výstavbu č.137/98 Sb., ČSN 73 43 01 Obytné budovy, DOST soubor 4. č.17/2001 Hygienické požadavky na kvalitu ovzduší v obytných budovách.
=
( m3.s-1 )
Vm : vnitřní objem místnosti ( m3 ) ti, te : viz výše cv : objemová tepelná kapacita vzduchu při teplotě 0 [ 0C ] v ( Jm-3 K-1 )
Objemový tok větracího vzduchu
při přirozeném větrání infiltrací získáme ze vztahu:
=
Je-li hygienický nebo technologický nárok na intenzitu výměny vzduchu n větší než výpočtová intenzita výměny vzduchu infiltrací, pak je nutné větrání.
Intenzita výměny vzduchu infiltrací : n = Kde: Pro n = 1~1,5 se předpokládá krýt tepelnou ztrátu ještě otopným tělesem n > 1,5 doporučuje se použít klimatizační jednotku
9
): součet průvzdušnosti oken a venkovních dveří dané místnosti ( m3 s1
Pa0,67 )
Stanovuje se ze skladebných rozměrů otevíratelných oken a dveří na návětrné straně. U řadových místností s jednou venkovní konstrukcí se za návětrnou stranu považuje strana, na které je venkovní konstrukce s oknem. U rohových místností s okny se v obou venkovních stavebních konstrukcích počítá s
) pro okna v obou stavebních konstrukcích.
U místností s okny v protilehlých konstrukcích se za návětrnou stranu považuje strana, pro kterou má
) větší hodnotu. Protilehlá strana stavební konstrukce se pak
považuje za závětrnou stranu. Charakteristické číslo místnosti s v tomto případě volí M = 1, stejně jako pro místnost bez vnitřních konstrukcí. Ilv : součinitel s součinitel spárové průvzdušnosti ( m3.s-1 /m.Pa0,67 )
Tepelné mosty Pod pojmem tepelný most rozumíme místo v konstrukci, kde dochází k větším tepelným tokům, než v jeho okolí. Charakterizuje tepelnou ztrátu prostupujícím stěnou v místě styku dvou různých konstrukcí. V praxi se to projevuje chladnějším povrchem v interiéru (pokud je exteriér chladnější než interiér a dochází k prostupu tepla pouze vedením). Tepelný most je charakterizován lineárním činitel prostupu tepla (W·m-2·K-1) a také jeho délkou [m] H T ,ie = ∑ S k ⋅ U k ⋅ ek + ∑ψ l ⋅ l l ⋅ el k
l
Kde Sk je plocha stavební části v m2, ek, el jsou korekční činitelé vystavení povětrnostním vlivům (), Uk je součinitel prostupu tepla stavební částí ve W·m-2·K-1, ll je délka tepelného mostu v m, ψi je činitel prostupu tepla tepelného mostu ve W·m-1·K-1.
Zhodnocení porovnání norem ČSN 06 0210 a ČSN EN 12831 Největší rozdíl v obou normách je tepelná ztráta přestupem konstrukcí, která se zejména odlišuje přítomností anebo absencí tepelných mostů. Dalším prvkem, který normy rozděluje je
10
u normy ČSN EN 12831 absence tepelných zisků ve výpočtu a to už buď trvalých (přítomnost osob) nebo proměnných (sluneční záření). Je tedy nutné k výpočtu přistupovat velmi detailně, aby bylo zaručeno správné navržení zdroje tepla pro dodržení optimálního poměru investice k provozním nákladům, protože poddimenzováním se dosáhne úspory investic na úkor vyšších provozních nákladů a naopak.1
1.3 Výpočet topného příkonu Pro výpočet příkonu tepelného zdroje je rozhodující zvolený způsob elektrického vytápění, režim vytápění na jmenovitou, popřípadě tlumenou teplotu, způsob nuceného větrání. Skutečný instalovaný elektrický příkon topidel smí být vyšší oproti vypočtenému celkovému příkonu maximálně: a) o 20 % pro příkon do 50 kW, b) o 10 % pro příkony vyšší než 50 kW. Jestliže vychází vypočtený příkon elektrického topidla v intervalu první třetiny rozdílu příkonu typové řady topidla, volí se typ s nižším příkonem. Výpočet topného příkonu má svá specifika pro každý způsob elektrického vytápění, a to zvlášť pro přímotopné, akumulační a smíšené (hybridní) elektrické topné systémy.
1.4 Teplota vnitřního vzduchu, účinná teplota okolních ploch a globeoteplota Vlastní teplota vzduchu se měří teploměrem odstíněným proti sálání okolních ploch a vlivu oslunění ve výšce 1 m nad nášlapnou vrstvou podlahy uprostřed místnosti. Pro hodnocení při vytápění se počítá s průměrnou teplotou vnitřního vzduchu z hodnot měřených v 8.00, 12.00 a 21.00 hod. člověkem vnímaná teplota je takzvaná globeoteplota. Je to výsledná teplota zahrnující vliv teploty vzduchu účinné teploty okolních ploch. Při prakticky klidném vzduchu je přibližně rovna průměru tv = 0,5 . (tv + tp)
[oC]
1
ŠRÁMEK, J., HRADÍLEK, Z. Improvement efficiency of the design heating, sborník ELNET Ostrava 2011, ISBN 978-80-248-2510-6
11
Kde: tv teplota vnitřního vzduchu tp účinná teplota okolních ploch Účinná teplota okolních ploch je definována jako společná teplota okolních ploch, při níž je celkový tok sáláním mezi povrchem oblečeného lidského těla s okolními plochami stejný jako ve skutečnosti. Vyjadřuje tedy sálavý účinek konstrukcí ohraničujících místnost. V technické praxi se často nahrazuje střední (průměrnou teplotou, ploch, které prostor obklopují) Tsj = ∑ (tzs . Sj) / ∑ Si [oC] Kde je: tzs teplota povrchu jednotlivé ohraničující konstrukce Si
plocha ohraničující konstrukce, která má stejnou povrchovou teplotu
∑Si součet všech ploch, které ohraničují místnost Jestliže klesá povrchová teplota konstrukcí ohraničujících místnost, musí se pro zachování stejné tepelné pohody současně zvyšovat teplota vzduchu. Tuto podmínku lze vyjádřit rovnicí tv + tsi,m = 38 [oC]
1.5 Zdroje tepla pro vytápění V našich klimatických podmínkách potřebujeme ve všech typech domů, či bytů v zimním období nějaké zdroj vytápění. Čím je prostředí lépe izolované, tím menší výkon musí vytápěcí zařízení produkovat. Je možné postavit a navrhnout tzv. pasivní dům, kde veškerou potřebu tepla na vytápění dodává Slunce, ale tato možnost je stále dražší. Systémy vytápění lze dělit podle mnoha kritérií. Zde se zaměříme na rozdělení podle umístění vytápěcího zařízení a používaného zdroje energie. Vytápění lze rozdělit na lokální topidla (umístěny ve vytápěných místnostech) anebo ústředním vytápěním, kde je topidlo ve většině případů kotel a teplo je do jednotlivých místností rozváděno vhodným médiem (zpravidla voda, někde vzduch).
Zdroje tepla: •
elektřina 12
•
zemní plyn
•
propan
•
topný olej
•
uhlí
•
koks
•
dálkové teplo (CZT)
•
polenové dřevo nebo brikety
•
pelety
•
biomasa
•
tepelné čerpadlo
•
kogenerační jednotkou
Elektrické vytápění Elektrická energie je dostupná prakticky všude, dá se snadno rozvádět do jednotlivých místností a velmi snadno se dá přeměnit na teplo. Topné elektrické systémy mohou proto být lokální (zvlášť pro každou místnost)snadno regulovatelné, levné a malé. Velkou nevýhodou elektřiny je stále její relativně vysoká cena. Důvodem je drahé zařízení na výrobu a malá účinnost primárního paliva pro výrobu elektrické energie (v tepelné elektrárně se cca 1/3 energie obsažené v palivu přemění na elektřinu a zbytek odchází neužitečně do chladicích věží). Elektřina se nelze jednoduše skladovat (prakticky jen pomocí přečerpávacích elektráren a baterií), naše elektrická síť funguje tak, že se v každém okamžiku musí výkon všech elektráren rovnat příkonu právě zapojených spotřebičů. V některých časových intervalech dnů je spotřeba větší (ranní a večerní špičky), v noci zase podstatně klesá na minimum. Rozvodné a elektrické společnosti proto prodávají tzv. noční proud ("mimošpičkovou elektřinu") za nižší cenu a často využívají dálkové zapínání a vypínání elektrického vytápění jako poměrně účinný nástroj řízení spotřeby. V posledních letech začaly elektrické společnosti využívat tzv. přečerpávací stanice. V případě nízkého odběru je přebytečný elektrický proud využit pro přečerpání např. z řeky do nádrže, a pokud je odběr vysoký, je z nádrže voda odpouštěna přes turbínu, která vyrábí elektrický proud.
Přímotopné vytápění
13
Vytápěcí zařízení běží po dobu minimálně 20 hod za den a často pomocí dálkového ovládání je na max. 2 hod denně vypínáno. Elektrické konvektory, sálavé panely, podlahové vytápění či elektrokotel, není třeba akumulovat teplo (v případě, že je dům dobře izolován postačí přirozená akumulace podlah a stěn). Investice do zařízení je relativně malá, ale cena za 1 kWh a měsíční stálý plat jsou relativně vysoké. Výhodou však je, že ostatní spotřebiče v domácnosti (osvětlení, pračka atd.) odebírají po dobu 20 hodin denně levnější elektřinu a tím pádem zlevňuje provoz celé domácnosti.
Akumulační vytápění Vytápěcí zařízení je zapnuto cca po dobu 8 hodin denně, zpravidla ve dvou časových intervalech. Získané teplo je vhodné nějakým způsobem akumulovat, aby se zajistilo vytápění po zbývajících 16 hodin (používají se akumulační nádrže s vodou, nebo akumulační kamna s akumulační hmotou). Investiční náklady na akumulační kamna jsou vyšší než u přímotopného vytápění.
Hybridní vytápění Jde o kombinaci dvou předchozích způsobů, kdy je základ akumulační vytápění doplněné pro dobu nízkých venkovních teplot přímotopným topením. Zpravidla využívají sazby s 16ti hodinovou dobou trvání nízkého tarifu. V praxi se využívají jen velice málo, jelikož tato elektrická sazba je nevýhodná.
Lokální topidla přímotopná Konvektory jsou velice jednoduchá elektrická topná tělesa k upevnění na stěnu či strop, která odevzdávají teplo do vzduchu (v málokterých případech jsou opatřena i ventilátorem). Teplota v místnostech se snadno reguluje a často bývá konvektor opatřen časovou regulací (pro noční poklesy teplot apod.). Používá se přímotopná sazba s dobou trvání nízkého tarifu 20 hodin. Sálavé panely předávají teplo převážně sáláním. Výhodou tohoto způsobu vytápění je možnost umístit sálavé panely na strop a také to, že sálavé teplo kompenzuje případnou nižší teplotu stěn a oken. Panely mají tepelnou setrvačnost a umožní rychlý zátop. Topné kabely se používají pro vytápění podlah a ukládají se ve většině případů do betonové a zespodu tepelně izolované podlahy. Toto vytápění vydává teplo převážně sáláním, tím pádem je nejteplejší podlaha v místnosti. Jelikož je poměrně velká tepelná kapacita betonové podlahy, regulace výkonu bude obtížnější a tento způsob 14
vytápění není moc vhodný do místností, kde se dají očekávat značné a nenadálé tepelné zisky (například sluneční záření z velkých jižních oken). Ne vždy se kabely pokládají do betonu, existují i systémy, které mají relativně malou tepelnou setrvačnost a podobají se tak systémům s topnou fólií. Topné fólie jsou vyrobeny z materiálu o velkém odporu, s výkony cca 60 W/m2, které se umisťují do stropu či pod sádrokartonové desky na stěny. Výhodou je opět přenos tepla sáláním, rovnoměrné rozložení teploty a snadná a rychlá regulace (malá tepelná setrvačnost). Infrazářiče přenášejí teplo téměř výlučně sáláním, mají malé rozměry a používají se převážně do koupelen nebo jako pomocné vytápění. Dnes jsou oblíbené halogenové zářiče. Teplovzdušná topidla - předávají teplo výlučně konvekcí, mají malé rozměry a používají se tam, kde potřebujeme rychle ohřát vzduch.
Lokální akumulační topidla Akumulační elektrická tělesa zabudovaná v kamnech jsou umístěna v keramické akumulační hmotě a jejich příkon je zvolen tak, že se za 8 hodin nahřejí na maximální potřebnou teplotu. Naakumulované teplo se potom podle potřeby odsává pomocí ventilátoru prohánějícího vzduch z místnosti skrz vyhřátou akumulační hmotu. Nevýhodou tohoto topidla jsou velké rozměry a hmotnost. Hybridní akumulační kamna mají také přímotopnou část a mohou tedy mít o něco menší rozměry.
Ústřední elektrické vytápění Elektrokotel – elektrická topná vložka, která je spolu s termostatem a oběhovým čerpadlem umístěna v malé jednotce a zapojena do rozvodu ústředního vytápění. Použití elektrokotle je výhodné tam, kde je již instalováno ústřední vytápění a kde elektrokotel nahradil např. kotel na uhlí, nebo tam, kde chceme používat ještě další zdroj tepla (kotel na uhlí nebo dřevo, solární kolektory, tepelné čerpadlo, apod.). Někdy se elektrická topná vložka montuje přímo do kotle na dřevo, tím se systém zjednoduší. Nevýhodou oproti lokálním přímotopným topidlům (např. panely) jsou určité tepelné ztráty do nevytápěného prostoru (např. sklep). Akumulační nádrže – teplo, které se akumuluje do nádrží s vodou zapojených do okruhu ústředního vytápění. Výhodou je velice nízká cena za kWh a možnost připojit další zdroj tepla, který využije možnost akumulace tepla do nádrží (solární kolektory, kotel na dřevo). Kombinace elektřina - dřevo - solární energie je ve spojení s akumulační nádrží velmi univerzální vytápěcí systém s levným provozem.
Plynové vytápění 15
Zemní plyn je v současné době velmi oblíbený zdroj energie pro vytápění a díky rozsáhlé plynofikaci v minulosti je dostupný prakticky ve všech větších městech a v mnoha vesnicích. Výhodou zemního plynu je velmi dobrá účinnost spalování, snadná regulace výkonu a minimální produkce škodlivých emisí. Zemní plyn je také poměrně perspektivní, protože má nejmenší emise CO2 na kWh tepla a jelikož ložiska zemního plynu vydrží déle než ložiska ropy. Prakticky většina spotřebičů na zemní plyn se dají používat i na zkapalněný propan nebo směs propan-butan, pokud se vymění trysky. Velkou nevýhodou propanu je podstatně vyšší cena a nutnost používat tlakovou zásobní nádrž.
Vytápění uhlím nebo koksem Hnědé uhlí je v této době nejlevnější palivo. Z hlediska účinnosti, komfortu vytápění a znečištění vzduchu je to ale nejhorší možný zvolený zdroj tepla. Významné je zejména velké znečištění vzduchu karcinogenními látkami ze špatného spalování hnědého uhlí. Koks a černé uhlí jsou při spalování čistší a jsou pochopitelně také o něco dražší. Výrazného zlepšení ekologických parametrů a také komfortu za použití automatizace přináší v posledních letech automatické kotle na uhlí.
Vytápění dálkovým teplem Teplo pro vytápění vzniká z výtopny nebo teplárny, případně se v některých lokalitách používá odpadní teplo z elektrárny (např. Veselí nad Lužnicí bere teplo z jaderné elektrárny Temelín). Tento typ vytápění je z hlediska uživatele velmi pohodlný, minimalizuje se při něm lokální znečištění, ale je poměrně drahý a to z toho důvodu, že při rozvodu na větší vzdálenosti má dost velké ztráty. Z hlediska energetiky je důležité, že společně s výrobou elektřiny je vyráběno i teplo. V tomto případě je teplo z elektrárny dokonce "odpadní produkt". Výtopny však elektřinu neprodukují. Ceny dálkově dodávaného tepla v jednotlivých regionech je možné získat na stránkách jednotlivých teplárenských společností. Z hlediska na vliv životního prostředí je teplárna nejlepší způsob, jak využívá fosilní paliva.
Vytápění biomasou
16
Biomasa můžeme nazývat také jako kusové dřevo, dřevní odpad jako je kůra, štěpka, piliny, sláma a také suché části rostlin pěstovaných k účelu spalování (topol, konopí, sloní tráva, osika, vrba, šťovík, apod.). Pro účely vytápění přichází v úvahu prakticky jen kusové dřevo, brikety, či pelety lisované z dřevního odpadu. Výhodou biomasy je, že jde o obnovitelný zdroj energie s minimálními negativními účinky na životní prostředí (při opravdu správném způsobu spalování). Z hlediska technického oproti hnědému uhlí je výhodný malý obsah popela. To umožňuje jednoduší konstrukci topidel a lepší regulaci, případně automatizaci procesu spalování. Biomasa je tvořena hlavně celulózou, výhřevnost většiny biomasy je v suchém stavu kolem 18 MJ/kg. Výhřevnost je velice ovlivněna obsahem vody a třeba u dřeva se doporučuje skladovat jej 2 roky pod přístřeškem, aby bylo vyschlé. Dokonale vysušené jsou lisované dřevěné brikety nebo pelety, avšak jejich nevýhodou je vyšší cena.
Vytápění tepelným čerpadlem Tepelné čerpadlo je zařízení, které dokáže odebírat teplo z chladnějšího objektu či tělesa (ze země, vody či vzduchu) a přenášet ho do tělesa teplejšího (topná voda, vzduch v domě). K přenosu tepla je však pochopitelně nutné dodat nějakou energii (zpravidla elektrická energie pro pohon kompresoru), ale existují i mnoho tepelných čerpadel na absorpčním principu (jsou poháněna pouze teplem). Také existuje tepelné čerpadlo poháněné zemním plynem, které je však nákladné a jehož provoz je ve srovnání s elektrickými velkou část dražší.
2 Osvětlení Světelná technika prochází v současné době bouřlivým rozvojem. V oblasti světelných zdrojů je vstupu světelných diod (LED) do aplikací ve vnitřních i venkovních osvětlovacích soustavách. Zvyšuje se jejich měrný výkon, mají dlouhou dobu technického života, umožňují míchání barev a tím dosáhnout libovolné teploty chromatičnosti. V oblasti svítidel je zde snaha, kromě zvyšování jejich provozní účinnosti, také zvyšovat činitele využití důslednou distribucí světelného toku tam, kam se to vyžaduje. Tím lze dosáhnout požadovaných hodnot osvětlení dle příslušných norem, při nejmenším příkonu osvětlovací soustavy. Ve svém důsledku to povede ke snižování celkové energetické 17
náročnosti a při neustálém zvyšování cen elektrické energie se stává tento požadavek aktuální při návrhu osvětlovacích soustav. Člověk se jako živočišný tvor v průběhu svého, stovky tisíc let trvajícího vývoje přizpůsoboval tak, aby přežil. Součástí tohoto procesu adaptace je bioklimatické přizpůsobení se světelným podmínkám, které jsou důležitým zdrojem informací o okolním prostředí. Přírodní světelné podmínky, které mají dva základní režimy, den (vysoké hladiny osvětlení) a noc (nízké hladiny osvětlení), vedly k vývoji dvou typů fotoreceptorů v lidském oku, tj. čípků pro denní vidění a tyčinek pro noční vidění. S rozvojem městských civilizací začal člověk intenzivněji využívat venkovní prostředí i v nočních hodinách. Obdobně jako ve vnitřních prostorech se umělé osvětlení ve venkovním prostředí začalo ve větší míře po zavedení světelných zdrojů. Přístup k osvětlování prostorů umělým světlem se mění od čistě intuitivního k předem promyšlenému procesu. Začaly se zkoumat jednotlivé zrakové úkoly a činnosti a na základě reálných testů a úrovně poznání byly stanoveny potřebné světelné technické parametry, ty se následně objevily v rámci národních a mezinárodních doporučení, předpisů a norem,
2.1 Kvalitativní parametry osvětlení osvětlovacích soustav Mezi hlavní kvalitativní parametry osvětlovacích soustav patří zejména -
osvětlenost srovnávací roviny
-
rovnoměrnost osvětlení
-
stálost osvětlení
-
oslnění
-
rozložení jasů
-
směrovost, stínivost a plastické podání
-
chromatičnost světla a barevné podání
-
ekonomické ukazatele
Volba osvětlenosti Osvětlenost je základním parametre osvětlovací soustav. Je rozhodující pro zaručení zrakového výkonu. S vyšší osvětleností se zvyšuje produktivita práce, snižuje se počet chybných úkonů a klesá únava. Na základě výzkumů lze konstatovat, že není osvětlení, se kterým by byli spokojeni všichni uživatelé. Bod optimálního osvětlení je kolem 1000 lm 18
Nejmenší přípustné hodnoty pro celkové a odstupňované osvětlení místností udává ČSN 36 0450.
Rovnoměrnost osvětlení Rovnoměrnost osvětlení je podle ČSN 36 2450 definována jako poměr minimální a místně průměrné osvětlenosti na srovnávací rovině v místě úkolu. Nároky na rovnoměrnost osvětlenosti rostou s délkou pobytu v pracovním prostoru.
Stálost osvětlení Světlo, zejména výbojových zdrojů pulzuje dvojnásobným kmitočtem oproti frekvenci napájecího napětí. Vliv neustálosti světla na produktivitu práce byl prokázán (např. zářivky, které jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, kompaktní zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky v kompaktním provedení, dále indukční výbojky, rtuťové vysokotlaké výbojky, sodíkové vysokotlaké a nízkotlaké výbojky)
Oslnění Oslnění je jedním z nejdůležitějších kvalitativních parametrů. Narušuje zrakovou pohodu, popřípadě zhoršuje, až znemožňuje vidění. Oslnění narušuje zrakovou funkci, vzniká pocit nejistoty a únavy. Oslnění lze omezit zejména vhodnou volbou světelných zdrojů a svítidel, jejich rozmístěním, event. cloněním při vhodných jasech ploch osvětlovaného prostoru
Rozložení jasu Jasy a jejich rozložení v zorném poli jsou rozhodující pro zrakový výkon, zrakovou pohodu a zábranu únavy. Pracovní prostředí vyžaduje vysoké adaptační jasy a jeho bezprostředního okolí, ale malé kontrasty jasu velkých ploch v pozadí a okolí.
Směrovost, stínivost a plastické podání Na prostorovou rozlišitelnost detailů má rozhodující vliv směr dopadajícího světla, resp. Rozložení stínů na pracovním místě. Světlo musí vytvářet potřebný kontrast, nesmí docházet k odrazům jasných ploch svítidla od pracovní plochy do očí pracovníka (oslnění odrazem) a ani pracovník nesmí zastiňovat místo zrakového úkolu. Je nutné omezit vznik násobných stínů (např. použitím velkoplošných stínidel nebo zajištěním dostatečně velké odražené složky osvětlenosti) 19
Obr (3) Minimální rozměry bezprostředního okolí a pozadí úkolu ve vztahu k místu zrakového úkolu, Zdroj: Wikipedia
Chromatičnost světla a barevné podání Barva světla nebo teplota chromatičnosti je dalším velmi důležitým parametrem osvětlení. Jednotkou je Kelvin (K). U LED osvětlení lze vyrobit různé teploty chromatičnosti. Můžeme tak zvolit ideální zdroj světla pro naši potřebu. Standardně jsou nabízena zdroje světla v 3 teplotách chromatičnosti. Teplá bílá (3.000 K), neutrální bílá (4.500 K) a studená bílá (6.000 K). Některá svítidla již umí barvu světla měnit ve zmíněném rozmezí 3.000 K ~ 6.000 K.
20
Obr (4) Chromatičnost různých zdrojů světla, Zdroj: Wikipedia
21
Obr (5) Barevné spektrum světla CRI, Zdroj: Wikipedia Na obrázku můžeme vidět, že nejlepší teplotu světla a CRI (spektrum podání barev) nám dává Slunce. Teplota světla Slunce je studená bílá. (od 5500K až po vysoké hory cca 10 000K). Slunce oproti jiným zdrojům světla má obrovský výkon a proto vykreslí nejen studené, ale i teplé barvy. Nejblíže slunečnímu světlu a podání barev je proto LED žárovka - studená bílá okolo 5200K s CRI >80, která vykreslí všechny barvy nejvíce reálně. Většina studených bílých žárovek v ČR je za horní hranicí 6000K, kde světlo má namodralý nádech, někdy se dokonce setkáváme s žárovkami či pásky s teplotou chromatičnosti (světla) vyšší než 6200K, kde světlo je již více modré než bílé. Toto světlo je pro většinu lidí až nepříjemné.
2.2 Osvětlení interiérů Důležitou složkou kvality životního prostředí ve vnitřních prostorech budov je jejich osvětlení. Dobré osvětlení je podmínkou pro optimální zrakový výkon a pocit pohody jak při práci, tak při trávení volného času, Osvětlení je však velmi důležité i z ekonomického hlediska, nebo jeho řešení ovlivňuje energetickou bilanci budov, spotřebu energií i provozní náklady. Převážná většina vnitřních prostorů budov má jak denní, tak i umělé osvětlení. Tyto dva druhy osvětlení na sebe úzce navazují a často působí současně. Proto by zákonitě mělo být řešeno denní i umělé osvětlení ve vzájemné vazbě jak z hlediska vytváření zrakové pohody a podmínek dobrého vidění za všech stavů venkovního osvětlení během celého roku, tak z hlediska volby nejhospodárnějšího řešení provozních nákladů.
22
2.3 Osvětlování vnitřních pracovních prostor Osvětlování kanceláří Práce a pracoviště v kancelářích v současné době prochází velkými proměnami. Nové formy organizace kanceláří, především vytváření skupinově flexibilního uspořádání, narůstající počet pracovišť s výpočetní technikou obsahující obrazovku a rostoucí požadavky na strukturované uspořádání pracovišť vyžadují také změnu konvekčního osvětlení. Nestačí již projektovat osvětlení na základě stanovené intenzity osvětlení a mezních křivek osvětlení. Je nutné vzít v úvahu a posoudit -
rozložení jasu v místnosti
-
rozložení kontrastu
-
rozložení vertikální intenzity osvětlení v místnosti
-
uspořádání svítidel osvětlovací soustavy s přihlédnutím k pracovním činnostem a k samotnému pracovišti
Při stanovení výchozích podmínek osvětlení pro všechny druhy činnosti musíme mít na zřeteli, že zrak člověka je tím nejdůležitějším „pracovním nástrojem“ a osvětlení významným faktorem prostředí. Ještě před nedávnem se všechna pracoviště s výpočetní technikou posuzovala bez toho, jakým způsobem byla využívána. Dnes lze říci, že tyto prostory můžeme členit na -
prostory s trvalou prací s výpočetní technikou
-
prostory s občasnou prací s výpočetní technikou
pracoviště s trvalou prací s výpočetní technikou vychází z toho, že takové každé dílčí pracoviště je součástí daného uspořádání prostoru. Proto takové pracoviště existuje přesný popis světelně technických vlastností použitých svítidel.
23
Obr. (6) Osvětlení monitoru při práci s výpočetní technikou, Zdroj: Wikipedia
Za velmi negativní lze označit jasovou hodnotu výstupního otvoru svítidel s mřížkami. Hodnoty jsou přitom ve shodě s mezními křivkami oslnění, avšak hodnoty kontrastu strop – svítidlo dosahují pro zrakovou činnost nepřístupných hodnost. Optimální hodnoty osvětlení E = 300 nebo i 750/1000 lx
Pracoviště s občasnou prací s výpočetní technikou Činnost pracovníků můžeme analyzovat takto: Čtení, psaní, studium -
práce s výpočetní technikou
-
tvůrčí práce, plná koncentrace
-
komunikativní činnost se zákazníky či spolupracovníky
Pracoviště musí splňovat požadavky na -
rozložená jasu
-
směr stínovosti světla
-
barvu světla
-
množství světla
Nejvhodnější by bylo denní osvětlení přicházející z levé strany. V některých případech musí být potlačeno či zcela eliminováno. K tomuto účelu používáme žaluzie. I v tomto případě platí, že se bez umělého světla neobejdeme. Vhodné světlo pracoviště 24
kanceláře musí splňovat tyto požadavky na -
rozložení jasů v prostoru
-
omezení osvětlení
Směr a svítivost světla Pokud jde o navrhované hladiny osvětlení, musíme vycházet z nejnáročnější činnosti pracovníků, Takové hladiny se mohou pohybovat na úrovni až 1000 lx. Nevyhovují typy svítidel klasické koncepce, ale plně vyhovují typy svítidel umožňující nastavovat hladiny osvětlení, a to s přímou a nepřímou složkou osvětlení
Tab. (1) Doporučené rozsahy osvětlení podle CIE, Zdroj: Wikipedia
25
Obr. (7)Potřebná úroveň osvětlení pro stejný zrakový výkon při různém věku lidí, Zdroj: Wikipedia
2.4 Osvětlování bytů Obývací pokoje Obývací pokoje jsou ve většině případů i za pracovnu. Vhodné osvětlení pracovního stolu je jednou ze základních podmínek dobrého pracovního výkonu. Podle vykonávané činnosti lze oprávněně požadovat až 1000 lx na pracovní ploše. Při kombinaci různých typů světelných zdrojů je nutné dbát na to, aby měly přibližně stejný index barevného podání. Aplikace malých bodových zdrojů (halogenové žárovky na malé napětí) není nejvhodnější. Vytváří na pracovní ploše ostře ohraničené přechody světlo – stín. Ve všech ostatních případech půjde o řešení místního osvětlení a mělo by být v provozu vždy při vykonávaných činnostech. Samostatnou kapitolou je sledování televizních programů. Bohužel dost obvyklý, zlozvykem je, že zářící obrazovka televizoru je „ústředním“ osvětlením obytné místnosti. V tomto případě je na místě vhodně umístěná lampa (například s kompaktní zářivkou 5 nebo 7 w) nebo některé speciální typy svítidel. Z hlediska energetických úspor jen rozhodující používání účinných zdrojů světla, neboť poměr mezi spotřebou elektřiny pro stejnou úroveň osvětlení je u žárovek přibližně 4x vyšší než u zářivek.
26
Tab. (2) Orientační příkony zdrojů v místnosti, Zdroj: Wikipedia
Osvětlení v ložnici Ložnice, kde se pouze spí a odpočívá, vyžaduje v prvé řadě celkové osvětlení. Postačí do 100 lx. Výběr svítidla je vždy otázkou osobnosti. Za velmi dobré lze označit všechny systémy osvětlení regulací světelného toku zdrojů dálkovým ovládáním
Osvětlování dětských pokojů Již od útlého dětského věku jen harmonický vývoj vede k formování a vytváření osobnosti. Spolutvůrcem při této činnosti je odpovídající osvětlení prostoru dětského pokoje, ve kterém dítě stráví většinu dne a večera. Nevhodné osvětlení může vést ke zhoršování zraku a navíc při špatném směrování světla s oslňujícím osvětlením je příčinou celé řady zdravotních problémů od bolesti hlavy, zánětu spojivek, psychické nerovnováhy až do deformace páteře. Tolik případů špatného zraku u dětí včetně nošení brýlí je až alarmující. Dětský pokoj potřebuje v prvé řadě centrální osvětlení řešené takovým způsobem, aby se braly v úvahu dětské aktivity a vitalita. Proto není vhodné počítat se závěsným svítidlem, ale svítidly přisazenými. Obecně platí, že čím je používané svítidlo větší a více rozptyluje světlo v prostoru pokoje, tím jsou i stíny slabší, nevýrazné. Naopak bodové světelné zdroje mají směrované světlo, vytvářejí výrazné stíny – působí rušivě. Obecně platná zásada říká, že -
světlo má přicházet směrem vhodným pro danou činnost (při psaní zleva doprava)
-
směr osvětlení se má volit tak, aby svítidlo nikdy nebylo v zorném poli 27
-
svítidlo nesmí oslňovat a ani na pracovní ploše nesmí vznikat obtížné odlesky (oslnění odrazem)
Doporučená hladina osvětlení je 500 lx
Osvětlování kuchyní Kuchyně zůstává především pracovnou. Osvětlení v kuchyni má několik funkcí -
umožňuje realizovat zrakovou činnost při práci bez závislosti na denním světle
-
stimulační a příjemnou atmosféru
-
zajištuje bezpečnost při práci.
V žádném případě se nemůžeme spokojit s tím, že v kuchyni bude umístěno jedno centrální světlo (jak je dnes zvykem). Stropní svítidlo zajistí celkové osvětlení prostoru na úrovni 150 až 200 lx. Platí pravidlo, že každé dílčí pracoviště mám mít své vlastní místo osvětlení a je navrženo tak, že při současné práci na několika místech nebude oslňovat. Některé části kuchyně, jako např. jídelní stůl, mají celkem zvláštní poslání. Na rozdíl od jiných kuchyňských pracoviště zde vyžaduje, aby se vhodným směrováním světla dosáhlo zvýraznění talířů s pokrmy. Tuto část je vhodné řešit takovým způsobem, aby při pohledu na osoby u stolu svítidlo nerušilo velkým jasem a byla vytvořena pohoda při konzumaci. Tomuto účelu vyhoví esteticky pojaté svěšené svítidlo. Vzhledem k celkově krátké době, kterou dnešní žena stráví v kuchyni při přípravě jídel, nemusíme při volbě světelného zdroje upřednostňovat ekonomicky výhodné světelné zdroje. Spíše budeme zdůrazňovat estetickou stránku.
Koupelna Celkové osvětlení lze nejlépe zajistit stropním zářivkovým svítidle s teplou bílou barvou zářivek. V koupelně je důležité dobré osvětlení u zrcadla, kterého se nejlépe dosáhne dvěma stejnými svítidly umístěnými symetricky po obou stranách zrcadla. Nejvhodnější jsou zářivková svítidla s kompaktními zářivkami barvy teple bílé.
Předsíň, šatna V těchto prostorech používáme zásadně celkové osvětlení stropním zářivkovým svítidlem. Podle velikosti osvětlovaného prostoru volíme i velikost zářivkových trubic
28
3 Úspory 3.1 Úspory ve vytápění Není to pouze sílící tlak na úsilí zaměřené na eliminování dopadů civilizačních vymožeností na ekologii a vnější prostředí v širším měřítku, ale především neustále se zvyšující ceny energií, které vedou majitele stávajících, ale i stavitele nových objektů ke snižování tepelných ztrát budov a tím i snižování spotřeby energií na vytápění. Z důvodů opatření vedoucích k úsporám energie ve všech členských zemích Evropské unie, byla i Evropskou komisí legislativně přijata řada směrnic, norem a dokumentů zahrnující široké spektrum možných úspor, z nichž do popředí vystupuje otázka týkající se energetické náročnosti budov. Mezi základní doklady vztahující se k energetické náročnosti budov patří energetický audit budovy, který je předepsán zákonem č. 406/2000 Sb. Po zrušení vyhlášky č.291/2001 Sb. energetický průkaz budovy od 1. ledna 2009 plně nahrazuje průkaz energetické náročnosti budovy (ENB), Tento dokument hodnotí budovu z hlediska všech energií, které do budovy vstupují, tedy energie na vytápění, ohřev vody, větrání a osvětlení.
29
Obr (8) Energetický štítek budovy, Zdroj: Wikipedia
Z hlediska požadavků ČSN 730540-2/2007 se dále hodnotí vnitřní povrchová teplota pomocí tzv. faktoru vnitřního povrchu, dotyková teplota podlahy, zkondenzované množství vodní páry uvnitř konstrukce (musí být nižší než udávaná hodnota a zároveň během roku musí být celková bilance kladná, tj. více kondenzátu se musí odpařit, než během roku zkondenzuje), šíření vzduchu obvodovým pláštěm (spárami oken, netěsnostmi), intenzita výměny vzduchu v místnosti, tepelná stabilita v letním i zimním období a průměrný součinitel prostupu tepla. V souvislosti s energetickou náročností budov i s jejím snižováním, je spjata řada dalších kritérií. Základní charakteristika tepelného prostředí je dána požadavkem na součinitel prostupu tepla U (W/m2 K), což je převrácená hodnota tepelného odporu konstrukce rozšířená o tepelné odpory při přestupech tepla na vnitřní a vnější straně konstrukce, jež jsou neovlivněny prouděním vzduchu podél konstrukce a sáláním tepla na vnitřní straně ostatních konstrukcí a do volného prostoru na vnější straně. Pro splnění požadavků hodnocení energetické náročnosti musí součinitel prostupu být vždy 30
nižší, než je součinitel tepla U požadovaný normou. Započítávají se do něho i symetrické tepelné mosty. Tepelný odpor je poměr tloušťky materiálu konstrukce a hodnoty tepelné vodivosti materiálu. Takže tepelné izolační vlastnosti hrají významnou roli ve výsledném účtu za energie na vytápění, přičemž součinitel hodnoty prostupu tepla je významným měřítkem pro výpočet tepelných ztrát budov a tím i pro stanovení spotřeby tepla. Kritériem spotřeby tepla je rovněž kritériem energetické náročnosti.
3.2 Pasivní dům Pasivní dům díky použití nejlepších tepelně izolačních materiálů představuje v současnosti špičku v nabídce technologicky nejdokonalejších domů bez potřeby obvyklé otopné soustavy. Roční plošná měrná spotřeba tepla na vytápění nepřesahuje 20 kWh (m2.rok). Celkové množství primární energie pro spotřebiče nebude překračovat hodnotu 60kW(m2.rok). Za úspory energií vysoký teplý komfort však můžeme očekávat i určitá omezení – asi o třetinu vyšší pořizovací náklady na údržbu domu a servis technologie.
3.3 Energeticky standardní dům Objekty tohoto typu patří ke standardu běžné občanské výstavby. K výstavbě lze použít naprosto běžné stavební materiály technologie. Pokud jsou dodržovány technologické postupy a eliminovány tepelné mosty, jistě bude dům přinášet spokojené bydlení v rozumné cenové úrovni.
Okna a dveře Okna jsou nejslabším článkem obálky budovy, místem možných tepelných ztrát i významných tepelných zisků, proto je třeba jejich správné volbě věnovat pozornost. Parametry oken ovlivňují vlastnosti izolačních skel, parametry distančního rámečku (okraje skla), parametry okenního rámu, poměr plochy skla a celého okna a napojení okna do stavby. Při výběru oken posuzujeme součinitele prostupu celého okna a skla, které by měly být co nejmenší. Doporučená maximální hodnota součinitele prostupu tepla celého okna Uw = 1,2 W/m2K. Pro pasivní domy maximálně 0,8 W/m2K..
Plastová okna Plastová okna májí dobré tepelně izolační vlastnosti, zvláště při vhodně zvolených vícekomorových profilech. Životnost plastových rámů je v porovnání s dřevěnými nižší, 31
odhaduje se na 30 až 40 let. Vchodové dveře Na konstrukci venkovních dveří jsou kladeny zvýšené nároky na nároky tepelněizolační a bezpečností. Venkovní dveře jsou obvykle masivnější a kompaktnější konstrukce, ale měly by být v souladu s velikostí a celkového řešení. Bývají vybaveny ocelovou výplní, vrstvou tepelné izolace a bezpečnostními prvky.
Střešní okna U šikmých střech existuje několik variací kam okno umístit, abychom docílili dostačujícího osvětlení. Není-li podkroví zastřešené, můžeme kombinovat okna umístěná nad stěnou nebo kombinovat střešní okno s doplňkovým oknem. Abychom měli místnost co nejlépe osvětlenou, doporučuje se instalovat více malých oken.
Větrání Nová okna mají mnoho vynikajících izolačních vlastností, ale nesmí půdní prostor hermeticky uzavřít. Ve špatně větrané místnosti se špatně dýchá a kvůli kondenzaci par se mohou objevit plísně. Střešní okna se vzhledem ke svému umístění ochlazují rychleji než okna svislá a kondenzace se tak tvoří nejdříve na nich.
Regulace světla a tepla Na oknech by neměly chybět stínící prvky a to z vnější i vnitřní strany. Kvalitní střešní okno je k ničemu, když je špatně osazeno do vnitřního pláště a následně vznikají tepelné mosty, a do místnosti může dokonce zatékat
3.4 Zateplení Tepelně izolační materiály Kvalitní zateplovací materiály používané ve stavbách veřejných domů a obytných budov a rodinných domů se staly v posledních letech důležitým aspektem architektonických návrhů. Díky správné zvolené izolaci by mělo v místnosti zůstat co nejvíce vyrobeného tepla. Díky energetickému auditu můžeme odhalit tzv. tepelné mosty a prověříme zároveň i systém vytápění i proudění tepla v budově. Materiály vhodné k zateplení staveb jsou velmi rozmanité a liší se svojí účinností, cenou a aplikací. Podle druhu a specifikace materiálu můžeme tepelné izolace rozlišit do několika hlavních skupin: 32
-
vláknité materiály (vlákna čedičová, strusková, skleněná, keramická, textilní)
-
plněné plasty (pěnové a extrudované polystyreny, pěnové polyuretany, pěnové pryskyřice, pěněný kaučuk a PVC, pěnový PE)
-
materiály na bázi dřeva (dřevovláknité, dřevotřískové, korek, piliny)
-
materiály na bázi papíru
-
minerální materiály (perlit, struska, keramzit, křemelina, popílek)
-
speciální (na bázi bavlny a ovčí vlny)
Obr. (9) Průběh teploty v homogenní (neizolované) stěně a ve stěně s přidanou izolační vrstvou, Zdroj: Wikipedia
Utěsnění spár a zamezení úniku energie Díky termovizi, moderní technické vymoženosti, lehce zjistíme, kudy nám z domu uniká teplo
Zatěsnění oken K tepelným ztrátám dochází nejvíce skrze výplně otvorů v obvodním plášti domu. Teplo uniká dvěma možnými způsoby – buď špatně utěsněnými spárami mezi rámem okna a ostěním, nebo skrze plochu samotné výplně stavebního otvoru. K odstraněn úniků tepla není třeba žádných časových ani finančních nákladných opatření. Pokud stav oken nevyžaduje jejich kompletní výměnu, je možné zabránit tepelným ztrátám poměrně jednoduchým izolačním opatřením ve formě těsnění oken a dveří (silikonové těsnění, expandační pásky)
33
3.5 Solární systémy pro přípravu teplé vody a podporu vytápění Omezené energetické zdroje fosilních paliv vedou ke snaze nahradit je dostupnými obnovitelnými nebo alternativními metodami přeměny přírodních zdrojů energie. Solární systémy dokáží ušetřit až 60% energie na přípravu vody a až 30% energie na vytápění. O možnosti využití solárního systému nerozhodují ani tak zeměpisná šířka či nadmořská výška, ale geografické podmínky a orientace rodinného domu vůči světovým stranám
Obr (10) Solární kolektory, Zdroj: Wikipedia
Účinnost solárního kolektoru závisí na úhlu dopadu přímého slunečního záření. Solární panely nejsou předurčeny jako primární zdroj vytápění. Největší energetická výtěžnost je pochopitelně v létě, kdy je potřeba vytápět dům prakticky nulová. Solární systém je proto určen k plnohodnotnému nebo částečnému ohřevu teplé vody
Tepelná čerpadla Tepelná čerpadla jsou odezvou skutečnosti, že na Zemi existuje velké množství tzv.
34
nízkopotencionálního tepla, zatímco pro naše účely (topení, chlazení či svícení v interiérech) potřebujeme vysokopotenciálovou energii. Nevýhoda této energie spočívá v tom, že je velmi ředěná a my ji musíme zhustit, aby nám posloužila podobně jako teplo z uhlí či zemního plynu. Tepelné čerpadlo může odebírat teplo například z vody nebo země pod povrchem, kde je teplota vyšší a přeměnit je na teplo vzduchu či vody
Obr. (11) Princip tepelného čerpadla, Zdroj: Wikipedia
4 Úspory osvětlení
Díky rostoucímu počtu světelných bodů v evropských domácnostech a snižující energetické náročnosti nových budov a roste význam osvětlování jako specifického typu spotřeby energie. Proto nařízení Evropské komise, které bylo vydáno pod číslem 2442009, definuje postupné ukončení požívání technologie klasických žárovek jako cesty k dosažení významných a ekonomicky velmi rychle návratných úspor energie. Celý proces, který je součástí legislativy o energii využívaných výrobcích, byl v praxi zahájen 35
na podzim roku 2009, kdy byly ukončeny dodávky 100W žárovek, přičemž všechny žárovky vyrobené s použitím klasické energie přestaly být na trh dodávány roku 2012. Halogenové žárovky s třídou C na základě tohoto nového předpisu zůstanou na trhu do roku 2016. Tato třída výrobků je asi 30% účinnější než tradiční žárovky, ale zároveň jsou tyto žárovky mnohem méně účinné ve srovnání s technologií kompaktních zářivek LED. Ačkoliv nákladově efektní řešení energeticky účinných nesměrových elektrických zdrojů jsou již na trhu k dispozici, díky nižším pořizovacím nákladům klasických žárovek ve srovnání s úspornými žárovkami, nebyly tyto zdroje dostatečně využívány. A to když v průběhu jejich životnosti úspory nákladů na provoz velmi výrazně přesáhnou náklady na pořízení. Přípravná studie prováděná před vydáním směrnic o ekodesignu spotřebičů (označovaná jako směrnice EuP) dospěla k odhadu, že všechny osvětlovací body, kterých je v Evropské unii 4,2 miliardy a které jsou vybaveny klasickými žárovkami nebo kompaktními zářivkami, měly v roce 2007 spotřebu 112 TWh. To odpovídá ročním výdajům v hodnotě 15,2 miliard euro a v objemu 48,3 milionů tun ročně. Předpokládá se, že pokud by nebyla přijata žádná opatření, vzrostla by do roku 2020 spotřeba elektrické energie nesměrových světelných zdrojů na 135 TWh ročně. Očekává se, že díky této nové legislativě podaří do roku 2020 v zemích EU dosáhnout energetických úspor rozsahu 39 TWh (srovnatelné s roční spotřebou v Rumunsku) zároveň se do roku 2020 v nainstalovaných světelných zdrojích uspoří 1,6 tuny rtuti.
Tab. (3) Orientační přehled náhrad za klasickou žárovkou, Zdroj: Wikipedia
36
Tab. (4) Porovnání roční spotřeby stávající instalace s LED, Zdroj: Wikipedia
4.1 Zdroje světla Klasické žárovky Klasické žárovky mají vysokou kvalitu světla, jejich nedostatkem je nízká energetická účinnost. Klasické žárovky fungují na principu tepelné emise světla. Elektrický proud prochází tenkým wolframovým vláknem, které zahřívá, dokud nezačne vydávat světlo.
Úsporné halogenové žárovky Standardní halogenové žárovky jsou také žárovkami. Obsahují totiž vlákno z wolframu malé, průhledné komoře plněné plynem a malým množstvím halogenu. Mohou fungovat při vyšší teplotě, což umožňuje jejich větší účinnost. Barva světla je vyšší než u klasických žárovek. Obvykle s rostoucí životností klesá účinnost a naopak.
Zlepšené halogenové žárovky Nová technologie halogenové žárovky plněná xenonem nebo kryptonem ve srovnání s klasickými žárovkami o 25 – 30% vyšší účinností při stejném světelném výstupu.
Úsporné kompaktní zářivky Úsporné kompaktní zářivky se obvykle skládají z trubice plněné rtuťovými parami elektrického předřadníku. Ve srovnání s klasickými žárovkami mají 60 – 80% větší účinnost. Průměrná životnost je až 20krát vyšší než životnost klasických žárovek. Kvalitní kompaktní zářivky mají index barevného podání vyšší než 80. Kompaktní zářivky však vzhledem 37
k obsahu rtuti musí být likvidovány jako nebezpečný odpad. Kompaktní zářivky jsou jedním z mnoha produktů v Evropské unii, které podléhají recyklaci v rámci směrnice OOEZ. V maloobchodní ceně je již zahrnuta částka, kterou je třeba zaplati pro recyklaci
LED žárovky Technologie LED, tedy technologie založená na polovodičové diodě vyzařující světlo, je již známa od šedesátých let 20. století. Původně LED vyzařovaly monochromatické světlo (První LED byla červená) a využívaly se především pro indikaci. Důležitým milníkem bylo vynalezení technologicky náročné modré diody, která otevřela cestu k diodě bílé. Dalším milníkem bylo představení vysokovýkonné LED diody, díky čemuž se začalo uvažovat o využití LED pro všeobecné osvětlování Vývoj se ještě zrychlil a každým rokem jsou představovány diody, které mají o něco větší účinnost (měrný výkon). V současné době se pro všeobecné osvětlení lze setkat s diodami, které mají účinnost cca 100 – 130 lm/W, což je teoreticky lepší než u žárovek, zářivek i některých
výbojek.
V současné
době
je
v intenzivním
zájmu
standardizačních
a
metrologických institucí testování kvality. Mimo vysokou účinnost je hlavní teoretickou výhodou LED považována dlouhá životnost. V praxi nicméně závisí tento parametr na mnoha okolnostech a odpovědní výrobci udávají vyšší číslo než 50 tisíc hodin. Mezi další výhody patří rychlý start, technologická možnost stmívání, malé rozměry, možnost různých barevných kombinací, odolnost vůči vibracím, odolnost vůči častému spínání a další. LED diody navíc oproti výbojkám a zářivkám neobsahují rtuť. Nevýhodou technologie LED je závislost na teplotě, která je zásadní pro návrhy dalšího využití, a nevýhody podobné technologii žárovek:
Potřeba luminoforu pro bílé světlo a
postupný úbytek světelného toku během života. Nevýhodou v současné době je také vysoká cena. Přes uvedené nevýhody se technologie LED intenzivně vyvíjí a již v současné době existuje mnoho dalších aplikací. Životnost LED žárovek bývá 25 tisíc hodin. Nevýhodou je vysoká cena, která zatím znemožňuje široké využití.
38
Tab. (4) Tabulka stahování standartních klasických a halogenových žárovek podle nařízení Komise EUč.2444/2009, Zdroj: Wikipedia
39
4.2 Úspory pomocí inteligentního ovládání Se zvyšující se životní úrovní, komfortem, požadavky uživatelů na vybavení a ovládání provozních funkcí budov, domů a bytů, ale i rostoucími cenami za energie, se stále častěji setkáváme s pojmem inteligentní budova. Jedná se o budovy s integrovaným managementem, tj. se sjednocenými systémy řízení, zabezpečení a správy budovy. Vhodným propojením vzájemných vazeb mezi nimi lze získat velice produktivní a nákladově efektivní systém, což umožní uživateli ovládání veškerých běžně využívaných funkcí tak, aby užívání bylo jednoduché a intuitivní, ale přitom efektivní, a v jeho nepřítomnosti udržuje budovu ve stavu s minimálními nároky na energie, avšak vždy připravenou ke komfortnímu využití. Tyto systémy se vykazují také vysokou flexibilitou a možností jednoduchého přizpůsobení se rostoucím nárokům do budoucna. Ke snižování energetické náročnosti nás ale nenutí jen finanční úspory, ale i vliv výroby energií na životní prostředí. Vzhledem ke skutečnosti, že podíl budov na celkové spotřebě energie v Evropské unii činí cca 40 %, byla vypracována směrnice o energetické náročnosti budov. Její poslední verzí je „Směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2010/31/EU o energetické náročnosti budov“. Ta mimo jiné přímo předepisuje, jakou může mít budova energetickou náročnost. Na základě první verze této směrnice (2002/91/EC) byla v roce 2007 také schválena norma EN 15232 Energetická náročnost budov – Vliv automatizace, řízení a správy budov. Tato norma stanovuje čtyři třídy energetické účinnosti A÷D, přičemž hodnoty třídy C slouží jako referenční hodnoty pro porovnání činitele účinnosti. Jestliže je budova vybavena systémem automatizace a řízení, je zařazena do jedné z těchto tříd, viz následující tabulka.
40
Tab.(5) Energetický štítek budovy
BACS: Building Automation and Control System = Automatizační a řídicí systém budov TBM: Technical Building Management = Technické zabezpečení budov Zdroj: Wikipedia
4.3 Spotřeba energií v budovách Výstavba a vlastní provoz budovy jsou závislé na množství spotřebované energii. Spotřeba energií v budovách roste. Snaha o její hospodárné využití a minimalizaci energetických nároků s ohledem na vložené investiční náklady vede k potřebě přesnějšího vyčíslení a posouzení variant řešení stavebně energetické koncepce2. Odhaduje se, že množství energie spotřebované v budovách v Evropské unii dosahuje 40-45 % celkové spotřebované energie, z toho asi dvě třetiny energie je využito v budovách určených k bydlení. V současnosti se poptávka po energiích v terciárním a rezidenčním sektoru zvyšuje o 1,2 % a 1,0 % za rok. V této souvislosti je kladen důraz na uspokojení energetických potřeb pro energeticky účinné budovy, se zajištěním provozně technických funkcí budov, s co možná nejmenšími náklady na spotřebovanou energii3. Na obrázku 11 je uvedeno rozvržení spotřeby energií v 2
Počinková M., Čuprová D.: Úsporný dům, Era - vydavatelství, edice: 21. století; Brno, 2004, ISBN:80-86517-
96-9 3
Doukas H., Patlitzianas K. D., Iatropoulos K., Psarras J.: Intelligent building energy management system using
rule sets, Building and Environmen, 2006
41
komerčních objektech4. Největší náklady jsou v účelových budovách vynaloženy na osvětlení, vytápění, chlazení a ventilaci.
Obr. (12) Spotřeba energií v komerčních objektech5, Zdroj: Wikipedia Při zjišťování stavu průměrného rozdělení roční spotřeby energií v domácnosti v bytech panelových domů, které provedlo Teplárenské sdružení ČR, vyšla největší spotřeba energie na vytápění 55 % a na přípravu teplé vody 24 %6.
4
Pavelková N.: Regulované pohony s měniči frekvence v systémech HVAC, konference Inteligentní budovy,
Praha 2010 5
Pavelková N.: Regulované pohony s měniči frekvence v systémech HVAC, konference Inteligentní budovy,
Praha 2010 6
Šancová L., Vogel P., Kotek P., Antonín J., Macholda F., Beranovský J.: Kompletní regenerace panelových
domů z pohledu snižování spotřeby energie a zlepšení kvality bydlení Portál TZB-info, (http://www.tzb-info.cz), 2010
42
Obr.(13) Průměrné rozdělení roční spotřeby energie domácnosti v bytě. Zdroj: ČSÚ a Teplárenské sdružení ČR (2009)78, Zdroj: Wikipedia Funkce managementu energií v budovách Jednou z nejdůležitějších úloh automatizace budov je kromě jejich automatické regulace, řízení a kontroly provozně technických funkcí zejména energeticky úsporný provoz. V zemích evropské unie se při projektování účelových staveb z důvodu úspory provozních nákladů používají inteligentní řídicí funkce s využitím výkonové automatizace. Z
hlediska
elektroinstalace
účelnosti
v budově
je
vynaložených uváděn graf
finančních
prostředků
závislosti celkových
na
realizaci
nákladů pořízení
elektroinstalace na výkonnosti elektroinstalace, tzn. na množství ovládaných provozně technických funkcí v budově (Obr. 13)9.
Obr .(14)Závislost ceny na výkonnosti elektroinstalace, Zdroj: Wikipedia
7
Šancová L., Vogel P., Kotek P., Antonín J., Macholda F., Beranovský J.: Kompletní regenerace panelových
domů z pohledu snižování spotřeby energie a zlepšení kvality bydlení Portál TZB-info, (http://www.tzb-info.cz), 2010 8
Počinková M., Čuprová D.: Úsporný dům, Era - vydavatelství, edice: 21. století; Brno, 2004, ISBN:80-86517-
96-9 9
Toman K., Kunc J.: Systémová technika budov - FCC Public spol. s r.o. Praha 1998, ISBN 80-901985-4-6
43
Přesněji je tato závislost znázorněna na obrázku 4.4, kde je provedeno porovnání investičních nákladů při použití klasické instalace a sběrnicové instalace Loxone v závislosti na přidaných provozně technických funkcích. V rozsáhlých projektech komfortně vybavených bytových i nebytových objektů nelze od sebe oddělovat
tzv.
silovou
instalaci a oblast
měření a regulace.
Ve sběrnicových
elektroinstalacích, např. Loxone jde o společný řídicí systém, který řídí spotřebu nejen elektrické, ale i tepelné energie. Navíc ji dokáže optimalizovat tím, že zabraňuje zbytečné spotřebě, takže dochází ke skutečně výrazným úsporám spotřebních nákladů. Při plném použití instalace Loxone pro řízení provozně technických funkcí lze dosáhnout i 40% úspory provozních nákladů ve srovnání s přibližně stejně vybavenou klasickou instalací. Jako důvod této úspory se uvádí především schopnost systémové elektrické instalace „komunikovat“ mezi všemi jejími prvky nebo dílčími podsystémy s možností vytvářet libovolné vzájemné vazby mezi provozně technickými funkcemi a dále snadná realizace dodatečných změn s následným ovládáním nově přidaných provozně technických funkcí.
Snižování nákladů na realizaci systémové instalace lze uskutečnit rovněž v oblasti montáže instalace. Projevuje se zde snaha o snížení pracnosti montáže a současně zvýšení spolehlivosti systému používáním specializovaných přístrojů. Finanční náklady, které jsou vynaloženy od začátku do konce výstavby budovy, se označují jako celkové investiční náklady výstavby. Náklady na automatizační techniku, využívanou pro automatickou regulaci a kontrolu přístroje vytápění, klimatizace a činí 1,0 až 1,5 % celkových investičních nákladů. Jestliže mnohopodlažní budova kanceláří má pořizovací cenu například 50 miliónů euro, potom podíl sběrnicové techniky bude asi 625 000 euro. Roční provozní náklady na spotřebovanou energii, které je možné technicky ovlivnit, představují podle rozsahu vybavení na jednu budovu 2,0 % až 4,0 % z původní ceny na výstavbu.
44
Obr. (15) Porovnání přídavných investičních nákladů a úspor provozních nákladů při použití sběrnicové instalace, Zdroj: Wikipedia Při provozních nákladech na spotřebovanou energii 4,0% potom tyto náklady představují částku asi 2 miliónů euro za rok. Možnosti potenciálu úspory energií nasazením automatizace se podle konzervativních odhadů dají vyčíslit podílem 10% z celkových provozních nákladů. Z této úvahy vyplývá, že je možné uspořit při použití systémové techniky budov částku 150 000 euro ročně pro uvedený příklad. To znamená, že návratnost investice do sběrnicových systémů budov činí přibližně 4 roky. Za dvacet let činí úspory na provozních nákladech celkem 3 000 000 euro. Navíc k energetickým úsporám přistupuje optimalizace potřeby pracovních sil provozního personálu.
Funkce managementu energií v automatizační rovině Velmi často mohou být programy pro optimalizaci spotřeby energií zabudovány přímo do jednotlivých zařízení. V případě, kdy není potřeba pravidelně nastavovat a seřizovat jednotlivá zařízení, jsou požadované funkce pro ovládání provozně technických funkcí v budově naprogramovány přímo do vestavěných DDC modulů (Direct Digital Control – řídicí jednotka). V další části jsou uvedeny příklady „napevno“ vestavěných programů, které mohou pracovat bez zásahů až do doby, kdy si stavební úpravy vyžádají zásadní změnu:
•
Regulace entalpie
45
Regulace entalpie se realizuje pro optimální nastavení klapek přiváděného a odváděného vzduchu v součinnosti s požadavky na HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning – vytápění, větrání a klimatizace) s ohledem na vynaložené náklady na spotřebovanou energii. Pro optimální regulaci ventilátorů s možností úspory energií je možné použít střídavý regulovaný pohon - frekvenční měnič10. •
Adaptivní regulace
Často uváděným příkladem adaptivního principu je ekvitermní regulace teploty přívodu topného okruhu. Snímač, který snímá venkovní teplotu podle požadované referenční hodnoty, je použit jako regulátor vytápění. •
Spínání spotřebičů a osvětlení
U této aplikace lze uvést příklady připojení spotřebičů na základě řízení závislých událostí (přítomnost osob v místnosti, hlášení příchodu, popř. stav rezervací u pokojů v hotelu od pultu recepce).
Obr.( 16) Spotřeba energie pro různé způsoby regulace ventilátorů při větrání a klimatizaci11, Zdroj: Wikipedia
10
Čapková R., Pavelková N.: Modernizace HVAC ve stanici Praha hlavní nádraží, ELEKTRO 4/2010
11
Čapková R., Pavelková N.: Modernizace HVAC ve stanici Praha hlavní nádraží, ELEKTRO 4/2010
46
•
Spínání optimalizované v čase
Tato funkce (tzv. „klouzavé spínání“) představuje především zdokonalené časově závislé spínání na manažerské úrovni. Při optimalizovaném spínání se povely na sepnutí vydávají podle výpočtu nejpozději možných sepnutí a nejdříve přípustných vypnutí příslušného zařízení (Obr. 16). Příkladem může být volba optimalizační adaptibilní automatické funkce, která ovládá tepelné vlastnosti budovy volbou startovacích a vypínacích časů na základě měření venkovní a vnitřní teploty.
Obr. (17) Spínání optimalizované v čase na příkladu ústředního topení (funkce managementu energií), Zdroj: Wikipedia •
Noční chladicí provoz
Tato funkce se využívá za horkých letních měsíců. Smyslem této funkce je „nasát“ chladný noční venkovní vzduch do budovy. Když venkovní teplota klesne pod úroveň teploty v místnostech, tak se sepnou všechna větrací zařízení, která pracují s plným podílem venkovního vzduchu. Hmota budovy a prostory jejich místností se používají jako chladící média. •
Regulace pásem nulové spotřeby energie
je využívána u místností budov pro veřejnost, jako jsou divadelní sály, sály kin nebo prostory nákupních středisek. Energetických úspor se dosahuje vytvořením regulačního teplotního pásma, kdy se netopí ani nechladí, pouze se nastavením klapek reguluje oběh vzduchu, zejména přísun venkovního vzduchu. Tím se ušetří energie a její spotřeba poklesne k nule 47
(Obr. 17). Nevýhodou této funkce je, že v případě poměrně špatných regulačních prostředků není možno přesně nastavit teplotu na stanovenou referenční hodnotu.
Obr. (18) Regulační pásmo nulové spotřeby energie (Funkce managementu energie), Zdroj: Wikipedia •
Cyklické spínání
které se vyznačuje špatnými regulačními kvalitami, nabízí však značné úspory u předimenzovaných zařízení (Obr. 18).
Obr. (19) Cyklické spínání (Funkce managementu energie), Zdroj: Wikipedia
Funkce managementu energií na manažerské úrovni Jestliže je nutné programy řízení provozu budovy z časového, nebo technologického hlediska neustále přizpůsobovat a vylaďovat, potom je vhodné funkce managementu energií (Energy
48
Management) převést na počítač. Ten potom poskytuje obsluze větší komfort a širší nabídku řešení v následujících funkcích:
Energetický controlling V mnoha budovách se náklady na spotřebovanou energii nezaznamenávají ani neúčtují. Úspor lze dosáhnout zavedením spotřebitelsky orientovaného rozvržení nákladů energií. Příkladem může být vybavení budov digitálními měřiči – elektroměry, vodoměry, plynoměry s přehledem spotřeby i nákladů. Připojení počítače do systému automatizace s obchodním zúčtovacím systémem umožňuje automatické vyúčtování a vystavení dokladu o jednotlivých položkách. Často se osvědčuje pouhá vizualizace spotřebovaných energií, která zajistí motivaci zaměstnanců k úspoře energií. Omezení maxim zátěže Další funkcí managementu energií je funkce omezení maxim zátěže. Dochází zde k odpočtu hodnoty spotřeby elektrické energie v průběhu čtvrthodiny a určuje průměrný odebíraný výkon za tento časový úsek. Na základě měření dochází k prognóze výpočtu spotřeby elektrické energie. Pokud se počítá s tím, že bude překročena smluvně stanovení hodnota, potom zasáhne program a spotřebitele odpojí. Pomocí této funkce se odstraní nedoplatky poskytovateli elektrické energie. Nabízí však i možnost průběžného sledování průměrné spotřeby a tím i její snížení v důsledku optimalizace vnitropodnikového průběhu výroby.
49
Obr.
(20)Energetický
controlling (Funkce managementu energie), Zdroj: Wikipedia
Časově ovládané spínání K funkcím managementu energií patří rovněž časově ovládané spínání provozně technických funkcí. Potenciál úspor se vytváří tím, že se provozní doby zařízení přizpůsobí skutečným časovým úsekům jejich využití. Je například snadné sladit ranní příjezd personálu budovy na parkoviště s časovým programem řízení osvětlení, závislým na východu slunce. Také u soukromých domácností lze tuto funkci použít pro regulaci vytápění v noci na temperování místnosti. V účelových stavbách jsou tyto funkce běžně napojeny na řídicí počítač, jehož prostřednictvím se provádějí krátkodobé změny a vyladění.
Funkce řízení prostředí a managementu energií v budovách Současný rozvoj automatizace budov se projevuje stále častějším uplatněním při výstavbě budov v průmyslovém, rezidenčním i terciálním sektoru. Z hlediska úspor energií hraje významnou roli vzájemná provázanost jednotlivých okruhů provozně technických funkcí v budovách. V následujícím přehledu jsou popsány příklady provozně technických funkcí se vzájemnými vazbami podle jednotlivých druhů technického zařízení a vybavenosti: Vytápění, chlazení, větrání (HVAC)
50
Požadované jmenovité hodnoty pokojové teploty se nastavují v závislosti na přítomnosti a počtu osob monitorováním přítomnosti nebo snímačem přítomnosti. Hodnoty teploty v hotelových pokojích lze vyladit na požadovanou hodnotu v závislosti na jejich využití a na vazbě se systémem rezervací. Jestliže se v místnosti otevřou okna nebo dveře, vypínají se funkce vytápění nebo chlazení. Větrání se provádí v závislosti na kvalitě vzduchu v místnosti. Řízení osvětlení Ovládání osvětlení lze provádět manuálně ovladačem nebo pomocí snímače přítomnosti osob. Nastavení osvětlení například v hotelových pokojích lze realizovat podle způsobu použití a ve vazbě na systém rezervací. Konstantní osvětlení lze v místnosti ovládat pomocí snímače jasu. Osvětlení v místnosti lze regulovat podle jasu venkovního prostředí. Rozptýlené světlo v obytných prostorách lze regulovat nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu. Zastínění a žaluzie Zastínění místnosti před sluncem pomocí žaluzií lze ovládat pomocí časově nastavitelného zastínění místností. Regulaci rozptýleného světla lze provádět nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu. Používá se zde nastavení letního režimu proti přehřívání místnosti a zimního režimu k maximalizaci doby přímého slunečního svitu. Při nárazech větru se žaluzie automaticky svinou.
Udržitelný rozvoj, příklady aplikací Na úsporu energií v budovách a tím i na udržitelný rozvoj v oblasti výstavby budov je možné se podívat také z pohledu architektů, kteří řeší návrh, účel a konstrukci budov. Pro dokreslení pohledu architekta na úsporu energií v budovách je zde použit citát architekta Jana Kaplického z roku 2001: „Hlavními aspekty pro trvale udržitelný design je výběr materiálů a provozní náročnost budovy, když je postavena. Budova musí být soběstačná z 80% nebo více i v oblasti spotřeby energií. Dnes je například možné prodávat energii zpět do elektrické rozvodné sítě. Z hlediska dlouhodobých termínů je obtížné to vyčíslit. Dosud neexistuje žádný způsob přesného měření. Úspora energií musí být zohledněna při konstrukci budovy a před tím také při výrobě materiálů. To také znamená, na úsporu energií a ekologii má vliv i stanovením množství a 51
hmotnosti materiálů při výstavbě budov. To vede rovněž k menší spotřebě energií a prostředků při výrobě stavebních materiálů, tím pádem i k úspoře energií při výstavbě budov“12. V současnosti se realizují výzkumy v oblasti úspory energií v inteligentních budovách. Univerzita aplikovaných přírodních věd v Biberach, Institut pro energetické systémy ve stavbách, specializující se na automatizace v budovách uskutečnil v roce 2008 výzkum na téma „jaký je potenciál energetických úspor při použití moderních elektrických instalací“. Byla prokázána vysoká energetická účinnost ve stavbách se systémovou instalací. Mohou být sice rozdílné výsledky úspory energií u různých staveb, ale základní trend byl potvrzen: •
při použití inteligentní elektroinstalace dochází jednoznačně k úspoře energií oproti konvenčním technologiím,
•
úroveň potenciálu úspor velice závisí na parametrech stavby a jejím tvaru,
•
maximum
energetických
úspor
je
dosaženo
při
využití
kombinací
automatizovaných provozně technických funkcí, •
úspory jsou v podstatě vždy ve dvouciferných procentních hodnotách,
•
investice do inteligentního řízení budovy je obecně nižší než konstrukční úpravy budovy,
•
návratnost investice je poměrně krátká a zpravidla se pohybuje do 5 let.
Dále jsou uvedeny příklady aplikace sběrnicového systému KNX s následnou úsporou energií: •
Při rekonstrukci střední školy Vorarlberg, Bezau v Rakousku došlo realizací zateplení pláště budovy a použitím sběrnicové techniky ke zmenšení spotřeby energie ze 160 na 25 kWh. Pomocí sběrnicového systému je zde ovládáno osvětlení podle přítomnosti, denního světla a časového programu, tepelná energie se šetří díky regulaci v jednotlivých místnostech, v závislosti na čase a pomocí vizualizace, je zde řešeno řízení automatického zastínění, všechny
12
Clements – Croome D.: Intelligent Buildings - Design, Management and Operation, Thomas Telford Limited,
London 2004, ISBN 0 7277 3266 8
52
místnosti a stavy jsou vizualizované. Není zde však vyčíslen přesný podíl systémové techniky budov na celkové úspoře energií. •
V centru ABB v Odense v Dánsku bylo uspořeno za jeden rok provozu ve velkoplošných kancelářích 13% energií použitím sběrnicové techniky.
Stavba má tři podlaží a 123 místností. Je zde automaticky řízeno topení a 120 chlazení v závislosti na přítomnosti a programovém řízení, velký důraz byl kladen na ovládání osvětlení na konstantní osvětlenost.
5 Příklad možných úspor V následujících tabulkách je srovnána spotřeba, náklady a návratnost investic daných možností náhrady aktuálního osvětlení.
Aktuální stav Analýza byla provedena na šestipatrovém domu s přízemím, chodbou a výtahem. Ovládání osvětlení všech pater je ovládáno manuálně. Při sepnutí spínače jsou rozsvíceny všechny světla na časový úsek 100 sekund. Každé patro i chodba je osazeno dvěma kusy svítidel, z toho vyplývá, že v panelovém domě při sepnutí je rozsvíceno 16 svítidel. Z faktury za dodávku elektřiny za období 27.1.2015 – 31.12.2015 (338 dní) byla spotřeba 759 kWh za kterou byla fakturována částka 2 950,92 Kč. Ve faktuře je obsažena spotřeba sklepů a dolních prostor (strojovna, atd.), jedná se o 12 zdrojů osvětlení s nainstalovanými klasickými žárovkami o příkonu 60W, průměrně jsou rozsvěcovány 3 krát denně na 6 minut. Spotřeba za 338 dní tohoto méně používaného osvětlení, kde budou zachovány klasické žárovky, činí 73,008 kWh. Tato hodnota je odečtena z faktury pro dané období, v tomto případě tedy počítáme se spotřebou elektřiny na osvětlení pater a chodby s hodnotou 685,992 kWh. Cena jedné kWh je v tomto případě 3,8879 Kč.
LED žárovky
53
Jako náhradu za stávající klasické 60W žárovky lze zvolil např. LED žárovku SKYLIGHTING LED denní bílá s příkonem 10W. Standardní náhradu za klasickou žárovku s paticí E27 a energetickou třídou A+. Cena podobných světelných zdrojů se pohybuje od 70 – 200 Kč. Zvolenou LED žárovku jsem nalezl za cenu 119,- Kč. Celkové náklady na výměnu za LED žárovky jsou tudíž 1 840,- Kč.
PIR čidla Další možná úspora je počítána při použití PIR čidel a zachování stávajících klasických žárovek. Cena PIR čidel se na trhu pohybuje mezi 100 – 300 Kč. Pro výpočet jsem zvolil klasické PIR čidlo v hodnotě 220,- Kč. V tomto případě je spočítána celková hodnota nákladů na 3 520,- Kč. Úspora je myšlena v tom, že nebudou rozsvěcovány všechny počítané společné prostory, ale pouze ty, kterými obyvatel projde. Počítáme s tím, že obyvatel projde zajisté chodbou a přízemím, kde je umístěn výtah, odkud je převezen do příslušného patra, nebo vystoupá do prvního patra. Samotné PIR čidlo spotřebovává 0,5 – 1 W za hodinu. Zvolené PIR čidlo má spotřebu 1 W/hod. Celková spotřeba všech čidel za 338 dní je 129,792 kWh (504,62 Kč).
LED světlo se zabudovaným PIR čidlem Spojením dvou předchozích možností docílíme možné úspory při výměně stávajících světel za nové se zabudovanou LED technologií s příkonem 14 W a PIR čidlem. Tyto světla lze zakoupit v hodnotě 500 – 2000 Kč. V tomto případě počítáme s hodnotou 569,- Kč za jeden zdroj osvětlení. Celková investice do nových světel by byla 9 104,- Kč. náklady na úpravu
spotřeba PIR čidel spotřeba osvětlení spotřeba osvětlení (338 dní/kWh) (kWh) (Kč) 0 0 686 2 667,10 Kč 1 840 Kč 0 114,33 444,52 Kč 3 520 Kč 129,792 kWh 257,25 1 000,16 Kč
klasická žárovka 60W LED žárovka 10W PIR čidlo LED žárovka 14W+PIR čidlo 9 104 Kč 129,792 kWh Tab. (5) Tabulka spotřeb zdrojů, Zdroj: Miroslav Flígr (autor)
54
60,025
233,37 Kč
spotřeba osvětlení a PIR celkové náklady na celkové náklady + čidel (Kč/338 dní) osvětlení (Kč/rok) investice (Kč/rok) 2 667,10 Kč 2 880,16 Kč 2 880,16 Kč 444,52 Kč 480,03 Kč 2 320,03 Kč 1 504,78 Kč 1 624,99 Kč 5 144,99 Kč
klasická žárovka 60W LED žárovka 10W PIR čidlo LED žárovka 14W+PIR čidlo 737,99 Kč 796,94 Kč 9 900,94 Kč Tab. (6) Tabulka výpočtů pro celkové náklady a investice, Zdroj: Miroslav Flígr (autor) celkové náklady + investice (Kč/rok) 2 roky 3 roky klasická žárovka 60W 2 880,16 Kč 5 760,31 Kč 8 640,47 Kč LED žárovka 10W 2 320,03 Kč 2 764,54 Kč 3 209,06 Kč PIR čidlo 5 144,99 Kč 6 649,77 Kč 8 154,55 Kč LED žárovka 14W+PIR čidlo 9 900,94 Kč 10 638,93 Kč 11 376,92 Kč Tab. (7) Tabulka dlouhodobých nákladů, Zdroj: Miroslav Flígr (autor)
4 roky 11 520,62 Kč 3 653,58 Kč 9 659,33 Kč
5 let 14 400,78 Kč 4 098,09 Kč 11 164,12 Kč
12 114,91 Kč
12 852,90 Kč
Závěr Tak jak bylo v úvodu předesláno, cílem bakalářské práce bylo podat ucelený přehled o regulaci spotřeby v domech a bytech. Nejprve však bylo třeba uvést do řešené problematiky. Tato práce se komplexně zabývá oblastí vytápění a osvětlení. V kapitole o vytápění byl popsán tepelný stav prostředí – vliv okolních teplot a materiálů. Zahrnul jsem zde i praktickou ukázku výpočtu otopného zařízení. Byly exemplárně určeny tepelné ztráty objektu s přihlédnutím ke konstrukcím a tepelným mostům a potřebný příkon otopné soustavy. Další kapitolu jsem věnoval osvětlení. Zde bylo důležité definovat hlavní parametry určující světelné prostředí, a těmi bezpochyby jsou rozložení jasu, osvětlenost, oslnění, směrovost světla, podání barev, barevný tón světla a míhání světla. Tyto parametry jednoznačně určují světelné prostředí a pro různá místa zrakových úkolů jsou jejich hodnoty zakotveny i v normách. Pro životnost a udržení funkčních a technických parametrů jsem zde zahrnul i kapitolu o provozu a údržbě osvětlovacích soustav, ve které se věnuji činitelům, které mají vliv na světelně technické parametry světelných zdrojů a svítidel. Je to zejména činitel stárnutí, udržovací činitel, činitel funkční spolehlivosti a plán údržby. Tato kapitola je zakončena energetickými požadavky na osvětlení. 55
Třetí kapitolu tvoří komplexní vyjádření úspor energií v domech a bytech a to v již popsaných oblastech. V oblasti vytápění jsou popsány možnosti úspor pomocí řízené ventilace, rekuperace, klimatizace apod. V oblasti osvětlení jsou zmíněné úsporné světlené zdroje, jako jsou kompaktní zářivky či LED žárovky. Dále je zde detailně popsán management energií za použití inteligentního ovládání domu, zejména systému Loxone. V závěru je spočítán příklad možné úspory v různých variantách výměny stávajícího osvětlení za LED žárovky, či použití PIR čidel, nebo kombinace dvou předchozích. Z výsledků je patrné, že v tuto chvíli je nejvýhodnější vyměnit stávající klasické žárovky za LED žárovky. Návratnost investice do nových LED žárovek v případě stejné, či podobné spotřeby jako za rok 2015 je 294 dní.
56
Seznam použité literatury [1] Brož, K.: Vytápění. Vydavatelství ČVUT, 2006. 203 s. ISBN 80-01-02536-5. [2] Bašta, J.: Regulace vytápění. Vydavatelství ČVUT, 2002. 99 s. ISBN 80-01-02592-9 [3] Plch,J.: Světelná technika v praxi, 1999 [4] Seven (společnost), Evropská komise. Zastoupení v České republice, Energeticky úsporné osvětlení v domácnostech- přehled technologií a legislativy, 2010 [5] Velfel, P. a kolektiv: Energie pro náš dům,2010 [6] Gašparovský D., Smola A.: Návrh umelého osvetlenia interiérov a exteriérov, 2011, Bratislava, ISBN 978-80-8106-046-5 [7] Plch J.: Světelná technika v praxi, 1999, IN-EL Praha, ISBN 80-86230-09-0 [8] ČSN EN 15193 – Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení, červen 2008 [9] TNI 73 0327 - Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení, únor 2009 [10] Vyhláška č.148 o energetické náročnosti budov, červen 2007 [11] CIE 97-2005 Směrnice k údržbě vnitřních osvětlovacích soustav [12] Dušek B.: Inteligentní budovy a jejich realizace, konference Inteligentní budovy, Praha 2010 [13] Pavelková N.: Regulované pohony s měniči frekvence v systémech HVAC, konference Inteligentní budovy, Praha 2010 [14] Čapková R., Pavelková N.: Modernizace HVAC ve stanici Praha hlavní nádraží, ELEKTRO 4/2010 [15] Šancová L., Vogel P., Kotek P., Antonín J., Macholda F., Beranovský J.: Kompletní regenerace panelových domů z pohledu snižování spotřeby energie a zlepšení kvality bydlení Portál TZB-info, (http://www.tzb-info.cz), 2010 [16] Toman K., Kunc J.: Systémová technika budov - FCC Public spol. s r.o. Praha 1998, ISBN 80-901985-4-6 57
[17] Valeš M.: Inteligentní dům, ERA group spol. s r. o., Brno, 2006, ISBN:80-7366- 062-8 [18] Doukas H., Patlitzianas K. D., Iatropoulos K., Psarras J.: Intelligent building energy management system using rule sets, Building and Environmen, 2006 [19] Počinková M., Čuprová D.: Úsporný dům, Era - vydavatelství, edice: 21. století; Brno, 2004, ISBN:80-86517-96-9 [20] Harper R.: Inside the Smart Home. Springer, London, 2003, ISBN1- 85233-688-9 [21] Clements – Croome D.: Intelligent Buildings - Design, Management and Operation, Thomas Telford Limited, London 2004, ISBN 0 7277 3266 8
58
Seznam obrázků
Obr.1
Tepelná pohoda člověka v závislostí na teplotě stěn
Obr.2
Vertikální průběh teploty vzduchu ve vytápěné při jejím různém způsobu vytápění
Obr.3
Minimální rozměry bezprostředního okolí a pozadí úkolu ve vztahu k místu
zrakového úkolu Obr.4
Chromatičnost různých zdrojů světla
Obr.5
Barevné spektrum světla CRI
Obr.6
Osvětlení monitoru při práci s výpočetní technikou
Obr.7
Potřebná úroveň osvětlení pro stejný zrakový výkon při různém věku lidí
Obr.8
Energetický štítek budovy
Obr.9 Průběh teploty v homogenní (neizolované) stěně a ve stěně s přidanou izolační vrstvou. Obr.10 Solární kolektory Obr.11 Princip tepelného čerpadla Obr.12
Spotřeba energií v komerčních objektech
Obr.13
Průměrné rozdělení roční spotřeby energie domácnosti v bytě. Zdroj: ČSÚ a
Teplárenské sdružení ČR (2009) Obr.14
Závislost ceny na výkonnosti elektroinstalace
Obr.15
Porovnání přídavných investičních nákladů a úspor provozních nákladů při použití
sběrnicové instalace Obr.16
Spotřeba energie pro různé způsoby regulace ventilátorů při větrání a klimatizaci
Obr.17
Spínání optimalizované v čase na příkladu ústředního topení (funkce managementu
energií). Obr.18
Regulační pásmo nulové spotřeby energie (Funkce managementu energie
Obr.19
Cyklické spínání (Funkce managementu energie
59
Seznam tabulek
Tab.1 Doporučené rozsahy osvětlení podle CIE Tab.2 Orientační příkony zdrojů v místnosti Tab.3 Orientační přehled náhrad za klasickou žárovkou Tab.4 Tabulka stahování standartních klasických a halogenových žárovek podle nařízení Komise EUč.2444/2002 Tab.5 Tabulka spotřeb zdrojů Tab.6 Tabulka výpočtů pro celkové náklady a investice Tab.7 Tabulka dlouhodobých nákladů
60
