V Národnom divadle v Prahe sa uskutočnila v približne piatich na seba nadväzujúcich etapách v rokoch 2007 až 2010 rozsiahla modernizácia energetickej technológie metódou EPC, ktorá zahŕňala novú kondenzačnú kotolňu, chladiaci stroj schopný práce v režime tepelného čerpadla, napojený na vodu Vltavy, spätné získavanie tepla z hydrauliky javiskovej technológie, rekuperáciu na vzduchotechnike, úsporné osvetlenie, nový riadiaci systém, slnečnú elektráreň integrovanú do strešnej hydroizolácie Novej scény a prevádzkovej budovy a mnoho ďalších opatrení. Pri celkovej investícii okolo 75 mil. Kč dosahuje divadlo každoročne úspory okolo 10 mil. Kč. Túto úsporu, ktorá je jediným zdrojom splácania dodávateľského úveru, ENESA garantuje.
Národné divadlo dosahuje energetické úspory cestou investičných a organizačných úsporných opatrení. Od roku 2011 už úspora dosahuje viac ako 50 % pôvodných nákladov na energie, ENESA, a. s., garantuje úsporu minimálne 9,5 mil. Kč ročne.Projekt funguje na princípe EPC – Energy Performance Contracting, keď Národné divadlo spláca investíciu počas 10 rokov s dodávateľom garantovaných prevádzkových úspor.
Je najvýraznejším zásahom do energetického hospodárstva komplexu budov Národného divadla od jeho renovácie v rokoch 1977 až 1983 a ovplyvňuje prevádzku historickej budovy, budovy Novej scény, prevádzkovej budovy i spoločného technického zázemia, ktoré zaberá šesť podzemných podlaží.
Vývojári spoločnosti ENESA, a. s., spolu s prevádzkovými zamestnancami Národného divadla tiež zaviedli a postupne zdokonaľujú systém energetického manažmentu, vďaka ktorému sú energetické úspory dosahované novými technológiami maximálne. Systém energetického manažmentu bude postupne využívať čoraz viac možností, ktoré ponúkajú dnešné informačné a komunikačné technológie.
Ako sa šetrí
Šetrí sa pomocou investičných a organizačných úsporných opatrení. Pri investíciách nebola len snaha vymeniť staré technológie za moderné a viac účinné, ale hlavne sa hľadal vhodný spôsob synergického prepojenia všetkých energetických systémov, aby sa dalo využívať aj odpadové teplo alebo obnoviteľné zdroje a aby inštalované systémy pracovali v skutočne optimálnych, vzájomne spolupracujúcich režimoch. Rozvíja sa aj systém energetického manažmentu s využitím moderných informačných a komunikačných technológií.
Plyn
Jediným zdrojom na výrobu tepla a teplej vody v Národnom divadle bol dovtedy zemný plyn. Jeho spotrebu sa v Národnom divadle podarilo znížiť takmer o polovicu. Vďaka inštalácii regulácie intenzity vetrania podľa obsahu CO2 vo vzduchu a vďaka spätnému získavaniu odpadového tepla z odvetrávaného vzduchu sa rapídne znížila potreba tepla na vykurovanie. Aj na ohrev teplej vody sa využíva odpadové teplo, tentoraz to, ktoré vzniká pri chladení hydrauliky javiskovej technológie. Aj v skladbe zdrojov tepla došlo k výrazným zmenám smerom k úsporným technológiám. V kotolni už pracujú oveľa účinnejšie kondenzačné kotly a značná časť tepla sa získava z Vltavy pomocou tepelného čerpadla.
Teplo z vody Vltavy
Vltavská voda je popri kondenzačných plynových kotloch pre Národné divadlo významným zdrojom tepla. Nový reverzný chladiaci stroj Carrier 30HXC totiž môže pracovať i v režime tepelného čerpadla a získavať „nízkopotenciálne“ teplo obsiahnuté vo vode Vltavy. Podľa potreby slúži tento stroj ako zdroj chladu alebo tepla na ohrev TÚV a vykurovanie.
Teplota vody, ktorá sa pohybuje medzi 2 °C a 19 °C (podľa ročného obdobia), je na výrobu tepla v režime tepelného čerpadla využiteľná do 5 °C, t. j. obvykle od začiatku marca do konca novembra. Tepelné čerpadlo Carrier vyrobí zhruba 30 % tepelnej energie spotrebovanej v budovách ND.
Tepelné čerpadlá
V Národnom divadle sú v činnosti dve tepelné čerpadlá. To väčšie z nich slúži primárne ako chladiaci stroj na klimatizáciu. Stroj je však skonštruovaný tak, že môže pracovať s vyšším teplotným spádom a má rôzne možnosti zapojenia prestavením armatúr na potrubiach, takže môže odoberať aj teplo z Vltavy a odovzdávať ho do vykurovacieho systému, a tak fungovať v režime tepelného čerpadla. Menšie z nich slúži na odvádzanie tepla z hydrauliky javiskovej technológie do systému ohrevu teplej vody.
Máloktoré divadlo sa zaobíde bez pohyblivého javiska. Premiestňovanie divadelných scén, výmeny kulís a zdvíhanie opony zaisťuje hydraulický systém javiskovej technológie. Pôvodne bol olej v hydraulickom zariadení chladený pitnou vodou. Teraz sa na to používa uzavretý chladiaci systém. Odpadové teplo z javiskovej technológie využíva malé tepelné čerpadlo na ohrev teplej úžitkovej vody. Ročne vyrobí asi 3 % z celkovej spotreby tepelnej energie v Národnom divadle v Prahe. Týmto úsporným opatrením divadlo výrazne znížilo spotrebu zemného plynu.
Kondenzačné kotly
V kotolni ND boli pôvodne umiestnené tri kotly ČKD Dukla (pomenované Pankrác, Servác a Bonifác). Posledný z nich bol nahradený štyrmi novými modernými, vysoko účinnými kondenzačnými kotlami Hoval Ultra Gas po 720 kW inštalovaného výkonu, teda celkom necelých 2,9 MW. Sú inštalované vždy po dvojiciach. Predstavujú najmodernejšiu techniku spaľovania zemného plynu a umožňujú dosahovať 99,5 % účinnosť výroby tepelnej energie vzhľadom na výhrevnosť paliva a 107,5 % vzľadom na objem spaľovacieho tepla v palive. Navyše disponujú dvojpalivovými horákmi a môžu spaľovať zemný plyn aj vykurovací olej (v prípade výpadku dodávok zemného plynu).
Tieto hodnoty sú veľmi vysoké a dosahujú sa vďaka jednému originálnemu vylepšeniu. Vedľa kotolne je totiž umiestnené tepelné čerpadlo chladenia hydrauliky javiskovej technológie. Keď sa na javisku nič nedeje, stálo by tam bez úžitku. Jednoduchým napojením teraz toto čerpadlo odoberá teplo z vratného potrubia vykurovacieho systému a využíva ho na ohrev vody. Tým sa znížila teplota vody na vstupe do kotla až na hodnotu ideálnu na kondenzáciu.
Oba nové kotly zaisťujú teraz takmer 100 % dodávku tepla, staré kotly slúžia predovšetkým ako záloha v prípade poruchy alebo vykrytia zimných prevádzkových špičiek. Plynová kotolňa vyrába približne 67 % tepla. Zvyšnú časť spotreby ND pokrývajú nové tepelné čerpadlá.
Teplo z javiskovej hydrauliky
Premiestňovanie divadelných scén, výmenu kulís, zdvíhanie opony atď. zaisťuje hydraulický systém javiskovej mechaniky. Pri činnosti hydrauliky dochádza k zahrievaniu hydraulického oleja. Ten bol pôvodne chladený prietokom pitnej vody priamo na kanalizácii. Nový uzavretý chladiaci systém s tepelným čerpadlom nielenže šetrí viac ako 15 000 m3 pitnej vody ročne, ale je tiež schopný získať z hydraulického oleja také množstvo odpadového tepla, že ním bolo možné úplne nahradiť pôvodný ohrev teplej vody pomocou zemného plynu.
Rekuperácia a teplo z vetrania divadelnej sály
Veľké množstvo tepla sa stráca pri vetraní javiska a hľadiska historickej budovy ND. Čistý studený vzduch, ktorý je v suteréne nasávaný do priestorov divadla, musí byť totiž ohrievaný na vnútornú priestorovú teplotu. Pri plne obsadenej sále prikazujú hygienické normy vymeniť asi 70 000 m3 vzduchu za hodinu. Pred realizáciou úsporných opatrení sa teda počas predstavenia alebo skúšok každú hodinu nasalo 7 000 m3 čerstvého vzduchu a rovnaké množstvo využitého vzduchu sa vypustilo von. K najväčším stratám tepla tak dochádzalo v zime. V lete zase vetranie zvyšuje spotrebu chladu na klimatizáciu. Nový systém rekuperácie (systém spätného získavania odpadového tepla) výrazne znižuje spotrebu tepla a chladu. Rekuperácia funguje tak, že odvádzaný vzduch odovzdá vo výmenníku časť svojho tepla nasávanému vzduchu, tým ho predhreje a na vykúrenie potom nie je potrebné toľko čerstvého tepla.
Na odovzdávanie tepla medzi odpadovým a čerstvým vzduchom sa používajú tepelné výmenníky s rôznou konštrukciou. Najúčinnejší je protiprúdový výmenník vzduch – vzduch, ten však vyžaduje, aby nasávanie a výduch boli blízko seba. V Národnom divadle ho nebolo možné použiť, pretože nasávanie čerstvého vzduchu (pri hladine Vltavy) a výduchy použitého vzduchu (pod strechou historickej budovy) sú od seba veľmi vzdialené. Preto bolo nutné inštalovať osobitne výmenníky na nasávanie a zvlášť na výduch a prenos tepla medzi nimi uskutočniť medziokruhom s bezpečným potrubím s nemrznúcou kvapalinou, ktorá vedie okrem iného aj pozdĺž mimoriadne cennej Hynaisovej opony. Tomuto usporiadaniu sa hovorí tiež systém vzduch – nemrznúca zmes – vzduch.
Rekuperácia tepla odpadového vzduchu výrazne znížila spotrebu tepla a chladu v historickej budove ND. Odpadové teplo z vetraných priestorov ND sa využíva na opätovný predohrev centrálne nasávaného čerstvého vzduchu do vzduchotechnických zariadení. Systém rekuperácie sa skladá z výmenníkov, čerpadla a rozvodov teplonosnej kvapaliny. Na výduchoch teplého odpadového vzduchu sú osadené chladiace kvapalinové výmenníky, v ktorých sa prúdiacim odpadovým vzduchom ohrieva voda. Takto ohriata voda je dopravovaná do ohrievacích kvapalinových výmenníkov, ktoré sú umiestnené do prieduchov nasávania studeného čerstvého vzduchu. Týmto opatrením získava ND predohriaty vzduch.
Elektrina
Elektrina je zdrojom energie väčšiny zariadení ND. Najviac elektriny spotrebúvajú chladiace stroje zaisťujúce výrobu chladu v klimatizačnom systéme, ďalej ventilátory vzduchotechnických zariadení, čerpadlá a osvetlenie. Pri niektorých týchto systémoch došlo ku kompletnej výmene technológie za zariadenia s omnoho vyššou účinnosťou. Inštalovaný je napríklad nový chladiaci stroj, pri osvetlení boli staré žiarovky a žiarivky vymenené za kompaktné žiarivky, halogénové výbojky alebo LED diódy. V miestnostiach sú stmievacie snímače a snímače detegujúce prítomnosť osôb, aj napätie na osvetlenie je v niektorých priestoroch regulované. Iné systémy boli doplnené o nové komponenty šetriace elektrinu, napr. frekvenčné meniče pri čerpadlách. Časť svojej spotreby pokrýva ND vlastnou výrobou v solárnych elektrárňach umiestnených na strechách Novej scény a prevádzkovej budovy.
Fotovoltická elektráreň
Na strechách Národného divadla je inštalovaná fotovoltická elektráreň, ktorá je ukážkovým príkladom zmysluplného nasadenia obnoviteľných zdrojov v mestskej zástavbe. Nemá podobu sklenených panelov známych zo zelených plôch popri cestách a nie je inštalovaná na historickej budove. Je integrovanou súčasťou hydroizolácie striech prevádzkovej budovy a budovy Novej scény. Vidieť ju len z lietadla, nijako nenarušuje architektúru oboch budov. Divadlu umožnila znížiť odber elektriny z distribučnej sústavy.
Netradičné na týchto malých strešných fotovoltických elektrárňach (FVE) je to, že nejde o klasické panely, ale o hydroizolačnú fóliu, ktorá súčasne izoluje a vyrába elektrickú energiu. Využitím tejto fólie sa súčasne odstránilo zatekanie do striech a ich zateplenia. Táto multifunkčná fólia bola položená vo dvoch etapách na strechy prevádzkovej budovy a Novej scény.
Základom systému je štandardná hydroizolačná fólia EVALON V, na ktorej povrchu sú integrované fotovoltické moduly. Modul sa skladá z 22 alebo 11 solárnych buniek s rozmermi 240 x 340 mm, spojených v sériovom elektrickom obvode. Bunky sú z oboch strán vybavené flexibilnou transparentnou vrstvou na báze teflónu, odolnou proti poveternostným podmienkam. Solárne bunky sú trojvrstvové (pre dokonalé využitie jednotlivých zložiek slnečného spektra) a sú vyrobené z amorfného kremíka.
Spodný (záporný) pól tvorí fólia z ušľachtilej ocele, horný (kladný) pól je z priehľadnej mriežky tiež z vlákien z ušľachtilej ocele. Solárny modul je navarený na hornom povrchu fólie EVALON a tvorí s ňou jeden celok. Odpadajú tak jednotlivé nosné konštrukcie a stojany, ktoré sú potrebné pri použití tradičných ťažkých externých solárnych článkov so sklom. Jednotlivé moduly sú spojené vodičmi, ktoré prechádzajú na streche pod spodnou stranou fólie v tepelnej izolácii a sú zvedené pod strešnú konštrukciu do zbernej siete.
Celý výkon fotovoltickej elektrárne je vyvedený do rozvodnej siete ND, pričom divadlo túto vyrobenú elektrickú energiu bez zvyšku spotrebuje. O túto vyrobenú elektrinu je znížený nákup z verejnej rozvodnej sústavy. Za vyrobenú elektrickú energiu fotovoltickými článkami dostáva ND takzvané zelené bonusy (forma štátnej podpory výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov).
Úsporné osvetlenie
Spotreba elektriny na osvetlenie javiska a interiéru divadla je jednou z významných položiek na prevádzkovom účte. Klasické žiarovky boli nahradené novými vysoko účinnými zdrojmi svetla s výrazne nižšou spotrebou, ale rovnakým svetelným efektom. Pritom nové svetlá naďalej zachovávajú pôvodné teploty farieb, ale i celkové svetelné podanie. Podstatne sa tiež zvýšila ich životnosť, ktorá dosahuje až 50 000 hodín oproti pôvodným 1 500. A nielen to – nový systém dokáže v kanceláriách reagovať na intenzitu denného osvetlenia a na prítomnosť osôb v miestnosti, takže sa netreba vôbec starať o vypínače.
Úspornejší chladiaci stroj
Pôvodnú chladiacu jednotku nahradil nový chladiaci stroj, ktorý dokáže pracovať i v režime tepelného čerpadla a podľa potreby využíva teplo vltavskej vody na ochladzovanie alebo vykurovanie budov. Umožňuje tiež prečerpávať teplo z časti objektov vyhriatych slnkom do priestorov, ktoré treba naopak vykurovať. Použitie stroja, ktorý môže pracovať v režime chladenia aj vykurovania, bolo zvolené na základe detailnej technicko-ekonomickej analýzy. Stroj spotrebúva menej elektriny na výrobu chladu ako ten predchádzajúci. Je tiež v prevádzke oveľa dlhšie, pretože v režime tepelného čerpadla preberá časť výroby tepla na vykurovanie – je to ekonomicky výhodnejšie.
Chladiace stroje sú jedny z najväčších konzumentov elektrickej energie. Ich spotrebu však možno znížiť ich optimálnym využívaním. Riadiaci systém spolu s dispečermi okrem vlastnej spotreby elektriny sleduje a stráži aj neprekročenie dohodnutého výkonu, tzv. 1-hodinového maxima odberu elektrickej energie, pri ktorého prekročení hrozia odberateľovi nemalé sankcie. Ak hrozí prekročenie tejto hranice, výkon chladiacich strojov sa zníži, prípadne je chladenie úplne odstavené.
Chladenie všetkých budov zaisťujú dva klasické chladiace stroje Trane a novo inštalovaný „reverzný“ chladiaci stroj Carrier 30HXC. Druhý spomínaný moderný kompresorový chladiaci stroj možno prevádzkovať tiež ako tepelné čerpadlo, čo umožňuje chladiť (výparníková strana) aj vykurovať (kondenzátorová strana). Celkom špecifický je režim, keď reverzný chladiaci stroj zároveň vykuruje aj chladí. Teplo vznikajúce na oslnených fasádach budov, ktoré treba chladiť, sa využíva na ohrev teplej úžitkovej vody a vykurovanie neoslnených častí budov. Kondenzátory chladiacich strojov sú ochladzované Vltavou cez vložený doskový výmenník oddeľujúci znečistenú vodu a technologickú vodu v uzavretom okruhu.
Pokročilá regulácia technologických procesov
Teplota v kanceláriách prevádzkovej budovy Národného divadla bola pôvodne regulovaná centrálne a nerešpektovala rozdielne potreby ani časové prevádzkové využívanie objektu a jeho časti. Nový systém individuálnej regulácie teplôt po miestnostiach umožňuje ovládať režim chladenia a vykurovania v závislosti od obsadenosti kancelárií.
Úspornejšie sú prevádzkované i samotné technologické systémy. Pôvodná regulácia prietoku „škrtením“ na vzduchotechnike, vykurovaní alebo chladení, pri ktorej je marená práca čerpadiel alebo ventilátorov, sa tam, kde to bolo vhodné, nahradila frekvenčnou reguláciou ich pohonov. Tým sa šetrí elektrická energia. Vstupnou informáciou pre reguláciu sú priamo parametre prostredia. Pre vykurovanie a klimatizáciu je hlavným parametrom regulácie vnútorná teplota v miestnostiach, pre vzduchotechniku je to novo inštalované zariadenie, ktoré sleduje stupeň „vydýchania“ vnútorného vzduchu prostredníctvom sledovania obsahu CO2.
Národné divadlo vždy využívalo najlepšie dostupné technológie. Riadiaci a regulačný systém technologických procesov firmy Sauter bol prvýkrát inštalovaný už pri generálnej rekonštrukcii v rokoch 1977 – 1983. V rámci projektu energetických úspor bol tento systém kompletne zmodernizovaný na súčasnú úroveň, a to v celom rozsahu, nielen teda v časti riadenia energetických systémov.
Voda
Vodu v divadle spotrebúvajú jednak priamo ľudia – zamestnanci i návštevníci divadla, ale tiež rôzne technologické systémy. Voda je napríklad aj nosičom tepla vo vykurovacom systéme. Priama spotreba pitnej vody sa obmedzila osadením špeciálnych úsporných perlátorov so zvýšeným sporiacim efektom na výtokovej batérii umývadla, podobne fungujúce šetriče sú aj na splachovačoch WC a v sprchách.
Najväčšiu úsporu pitnej vody však priniesla zmena chladenia oleja v hydraulike javiskovej mechaniky. Namiesto prietokového chladenia pitnou vodou vznikol uzavretý okruh s tepelným čerpadlom. Tým sa okrem pitnej vody šetrí aj zemný plyn, pretože získané odpadové teplo sa využíva na ohrev teplej úžitkovej vody. Toto opatrenie je ukážkovým príkladom toho, ako sú jednotlivé systémy teraz energeticky vzájomne previazané.
Šetriče pitnej vody
Spotreba úžitkovej vody na umývanie a sprchovanie sa výrazne znížila použitím celkom novej generácie českých antivápenných šetričov vody, malých komponentov, ktorých namontovanie na vodovodné batérie a sprchy (teplú i studenú vodu) prináša zníženie spotreby pitnej vody v rozmedzí 20 – 40 %, pri niektorých realizovaných inštaláciách aj viac. Na šetriči možno jednoducho nastaviť optimálne prietoky. Jeho know-how spočíva v tvare plastových častí z odolného materiálu, aby sa lepšie využili hydrodynamické vlastnosti vody.
Šetrič má dve komory, v prvej dochádza k zvýšeniu rýchlosti prúdenia vody, v druhej k víreniu vody pomocou inštalovaného kužeľového prvku. Obe prakticky zamedzujú usadzovaniu vodného kameňa. Jediným prvkom zhodným s perlátormi je prisávanie vzduchu do vody. Výsledkom týchto riešení je, že voda z batérií neprúdi ako plný kužeľ, hoci to tak vizuálne vyzerá, ale reálne ide o mikrokvapky tvoriace vodný kužeľ s voľným priestorom vnútri (ako dutý valec). Znížením spotreby teplej vody potom dochádza i k úspore tepla potrebného na jej ohrev.