Budovy s téměř nulovou spotřebou energie - Případové studie
Článek podrobně modeluje dva příklady budov, a to rodinný dům a bytový dům ve variantách zdrojů energie, otopné soustavy, obálky budovy a větrání s rekuperací. Vyhodnocena je primární neobnovitelná energie variant vůči referenční budově a jsou zařazeny do škály energetického hodnocení dle PENB.
Rodinný dům
V článku Budovy s téměř nulovou spotřebou energie - Definice byly popsány požadavky na obálku a primární neobnovitelnou energii pro budovu s téměř nulovou spotřebou energie. Nyní se pokusme popsat možné cesty, jak těchto požadavků dosáhnout. Jak bylo uvedeno výše, jednou z cest je zlepšení některých parametrů v oblasti technologického zařízení budovy oproti hodnotám pro referenční budovu. Další možnou cestou je další zlepšení izolačních vlastností obálky budovy nad rámec základního požadavku pro téměř nulovou budovu, či kombinace opatření na obálce a v oblasti TZB. Pro případovou studii rodinného domu byl vybrán dům systému Atrea (viz Obrázek 1) Dům je kvalitně navržen z pohledu geometrického uspořádání a využití solárních zisků. Obrázek 1 uvádí pro uvedený rodinný dům vypočtené hodnoty referenční budovy. Pro takovouto budovu, pokud by měla být ve standardu s téměř nulovou spotřebou energie, je referenční hodnota měrné potřeby tepla na vytápění 50 kWh/(m2a) v případě, že nebude využito systému nuceného větrání s rekuperací tepla. Téměř nulová budova je v tomto případě na hranici splnění nízkoenergetického standardu. Současně je hodnota pouze o 9 kWh/(m2a) nižší, nežli pokud by byla budova stavěna dnes, v režimu běžné novostavby. V případě, že bude užito nuceného větrání, bude referenční měrná potřeba tepla na vytápění 39 kWh/(m2a). Obrázek dále uvádí referenční měrné hodnoty celkové dodané energie, neobnovitelné primární energie a průměrného součinitele prostupu tepla.
Obrázek 1: případová studie rodinného domu – požadavky v různých situacích (RD Atrea)
Pro dosažení požadované hodnoty neobnovitelné primární energie bylo zvoleno několik variant řešení obálky a několik variant technologických. V případě obálky byly testovány lepší konstrukce, splňující postupně redukční činitel fR = 0,6 / 0,5 / 0,4 tak, jak je popisuje Tabulka 2 a text v článku Budovy s téměř nulovou spotřebou energie - Definice. V otázce TZB pak byly voleny varianty vykazující lepší parametry, nežli jsou parametry referenční budovy. Jedině úpravou těchto parametrů (uvedených v tabulce 5 vyhlášky) je totiž možné docílit lepších výsledků oproti referenční budově. Ostatní parametry zůstávají v hodnocené budově shodné s referenčními.
Článek vyšel v rámci tématu
Budovy s téměř nulovou spotřebou energie (NZEB) na TZB-info
První hodnocenou variantou je instalace plynového kondenzačního kotle s účinností výroby tepla 95 %. Referenční hodnota účinnosti zdroje pro vytápění je 80 %, a tedy použitím lepší hodnoty dojde k úspoře na složce vytápění oproti referenční budově. Kondenzační kotel je rovněž uvažován pro přípravu teplé vody (současně s nižší ztrátou zásobníku a rozvodů teplé vody oproti referenčním hodnotám). Hodnoty pro referenční budovu uvádí první řádek (šedá, varianta 0), viz následující Tabulka 1. Varianta s kondenzačním kotlem je uvedena v druhém řádku, přičemž hodnoty pro obálku jsou minimální nutné pro splnění téměř nulové spotřeby (fR = 0,7), tedy referenční. V tabulce je dále uvedena měrná spotřeba neobnovitelné primární energie a její procentuální poměr oproti hodnotě požadované pro téměř nulové budovy. Je zřejmé, že první varianta nevyhovuje požadavku na primární neobnovitelnou energii, jejíž měrná hodnota je 126 kWh/(m2a), což je 109 % požadavku na TNB. Pokud bychom v další variantě upravili účinnost sdílení tepla z referenční hodnoty 80 % na hodnotu například 88 %, kterou je možno použít v případě teplovodních radiátorů, dojde k dalšímu snížení spotřeby energie na vytápění a rovněž i primární neobnovitelné energie. Požadavek na Ep,N u varianty 2 stále není splněn, nicméně již se blíží hranici pro TNB a dosahuje 102 %. Pokud bychom v další variantě k výše uvedenému připočetli nízkoteplotní otopnou soustavu, což v případě nízké tepelné ztráty budovy (kvalitní obálky) a patřičně dimenzovaných otopných těles není problém, je možné započítat oproti referenčním 85 % vyšší účinnost distribuce tepla pro vytápění, např. hodnotou 89 %. V takovém případě již požadavek na primární neobnovitelnou energii splněn je a můžeme tedy hovořit o budově s téměř nulovou spotřebou energie. Velmi podobně bude pak vycházet další varianta, kdy bude použito k vytápění a ohřevu vody tepelné čerpadlo s průměrným sCOP (pro vytápění i přípravu TV) ve výši 2,6. V tom případě bude spotřeba Ep,N prakticky shodná variantou kondenzačního plynového kotle. To je způsobeno faktem, že přibližně trojnásobná účinnost výroby tepla tepelným čerpadlem (míněno COP) oproti kondenzačnímu kotli je kompenzována zhruba 3× horším faktorem neobnovitelné primární energie v případě elektřiny oproti zemnímu plynu. Při použití tepelného čerpadla s vyšším COP by samozřejmě výsledky byly příznivější.
Odhlédněme nyní od opatření na straně TZB a ponechme účinnosti soustav na referenčních hodnotách. Varianta 5 ukazuje, že při použití lepší obálky, nežli je minimum pro TNB (fR = 0,7), je možné požadavky splnit již při použití fR = 0,5, tedy přibližně střední hodnoty z rozsahu hodnot doporučených pro pasivní domy, Upas,20. V případě použití nejlepších, aktuálně technicky dosažitelných parametrů obálky (fR = 0,4) je pak požadavek na primární neobnovitelnou energii splněn s rezervou.
Tabulka 1: možnosti dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou – rodinný dům
Jak ukazuje předposlední varianta, s rezervou je i bez úprav na obálce požadavek pro téměř nulové budovy splněn při použití fotovoltaické elektrárny například o výkonu 3 kWp, což je menší z velikostí běžně používaných pro rodinné domy se standardní obsazeností. S výraznou rezervou je potom požadavek na TNB splněn i v poslední variantě s použitím kotle na biomasu pro vytápění a přípravu teplé vody, kdy je dosaženo měrné spotřeby Ep,N 30 kWh/(m2a), tedy 26 % požadavku. Požadavku na TNB je samozřejmě pak možné dosáhnout i různými kombinacemi opatření v oblasti obálky a zdrojů energie či účinnosti systémů.
V případě, budova bude vybavena systémem nuceného větrání se zpětným ziskem tepla, bude již v referenční budově uvažováno s určitou účinností rekuperace. Konkrétně je referenční hodnota u takto velké jednotky 60 %. Běžné jednotky do rodinných domů však mají hodnoty výrazně lepší. Například TNI 730331 uvádí pro protiproudé výměníky do určitého objemového průtoku hodnotu 77 %. V případě použití tohoto systému dochází k úspoře na vytápění vůči referenční budově, jelikož účinnost je o 17 % vyšší (varianta 9, Tabulka 2). Tato úspora však nestačí k dosažení limitu spotřeby primární neobnovitelné energie pro téměř nulovou budovu. Limit není splněn ani při uvážení lepší obálky (fR = 0,6), nicméně je pouze o 4 % nad požadavkem (var. 10). V případě použití středních hodnot U pro pasivní domy (fR = 0,5), je již splněn s rezervou. Jak uvádí poslední varianta, na hraně je požadavek splněn i při využití kondenzačního kotle s radiátory s běžným teplotním spádem.
Tabulka 2: možnosti dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou – RD s rekuperací
Bytový dům
Pro případovou studii bytového domu byla vybrána budova na obrázku níže (viz Obrázek 2). Jedná se o poměrně velký bytový dům s energeticky vztažnou plochou necelých 10 tis. m2 a s obsazeností přibližně 300 osob. Výsledky pro referenční budovu, obdobně jako u rodinného domu, uvádí Obrázek 4. Již z důvodu velikosti, geometrie a odlišných parametrů provozu oproti rodinnému domu vyplývá značný rozdíl v měrné potřebě tepla na vytápění, která je ve všech situacích (novostavba, téměř nulová budova, atd.) přibližně poloviční. Taková budova, navržená dnes na požadavky běžné novostavby, bude mít měrnou potřebu tepla na vytápění 27 kWh/(m2a). Bude-li navržena s požadavky na téměř nulovou budovu bez nuceného větrání, bude mít měrnou potřebu 24 kWh/(m2a) na rozdíl od rodinného domu s hodnotou 50 kWh/(m2a). Pokud bude v budově využito nuceného větrání se zpětným získáváním tepla, dosáhne referenční budova požadavku na měrnou potřebu tepla na vytápění pro pasivní standard, 15 kWh/(m2a) (bez ohledu na odlišnost metodiky výpočtu a další kritéria). Podívejme se tedy nyní, podobně jako v případě rodinného domu, jaké jsou možnosti dosažení standardu téměř nulové budovy.
Obrázek 2: případová studie bytového domu – požadavky v různých situacích
Varianty úprav parametrů oproti referenční budově jsou u bytového domu záměrně voleny podobně, jako v případě domu rodinného. První varianty postupně ukazují snížení spotřeby vlivem instalace plynového kondenzačního kotle pro vytápění a přípravu teplé vody (var. 1) s vyšší účinností oproti účinnosti referenční, zvýšení účinnosti sdílení tepla např. použitím radiátorů (var. 2) a zvýšení účinnosti distribuce tepla využitím nízkoteplotní otopné soustavy (var. 3). Je zřejmé, že na rozdíl od rodinného domu, ani jedna z těchto variant nevede k dosažení limitu pro téměř nulovou budovu. Nevede k tomu ani varianta 4 s využitím tepelného čerpadla s COP 2,6. Důvodem je výrazně nižší procentuální podíl vytápění na celkových spotřebách budovy (včetně osvětlení, přípravy teplé vody, atd.). Kvůli tomu bude mít úspora na složce vytápění menší dopad na poměrnou úsporu neobnovitelné primární energie (stejně tak i celkové dodané energie). Naopak na složce přípravy TV, která má v bytovém domě výrazně větší podíl na celkové spotřebě, je méně možností k úsporám oproti referenční budově. V dalších variantách (var. 5 a 6) je potom uvažováno se zlepšením obálky budovy. Opět z důvodu malé váhy složky vytápění nám v tomto případě nepomůže ani zlepšení součinitelů prostupu tepla konstrukcí na střední pasivní hodnoty U (fR = 0,5). Teprve až při použití nejnižších hodnot U doporučených pro pasivní domy (fR = 0,4), je požadavek na téměř nulovou budovu splněn (var. 6). Splněn bude pak na hraně i v případě varianty 7, kde je kombinováno lehké zlepšení obálky s instalací plynového kotle a teplovodními radiátory. Poslední dvě varianty potom popisují instalaci fotovoltaické elektrárny a kotle na biomasu. V případě fotovoltaiky se možný instalovaný výkon na jižní fasádě ukázal jako nedostatečný pro splnění požadavku na primární neobnovitelnou energii. V případě poslední varianty (9), tedy kotle na biomasu pro vytápění i přípravu teplé vody, je pak požadavek na TNB splněn se značnou rezervou.
Tabulka 3: možnosti dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou – bytový dům
Tabulka 4 uvádí výše popsaný bytový dům pro případ, že bude využito nuceného větrání se zpětným ziskem tepla z odpadního vzduchu. Stejně, jako v případě rodinného domu, je již v referenční budově počítáno s účinností rekuperace 60 %. Uvažovaná účinnost 77 % nám následně v hodnocených variantách pomůže s plněním požadavků na TNB, kdy oproti případu s přirozeným větráním, bude stačit zlepšení obálky na střední pasivní hodnoty (fR = 0,5, var. 12). Požadavky společně se vzduchotechnikou s rekuperací případně splní i systém doplněný o kondenzační kotel, radiátory a nízkoteplotní otopnou soustavu. Samozřejmě existuje více dalších kombinací opatření na obálce a v oblasti TZB, které požadavky na téměř nulovou budovu splní.
Tabulka 4: možnosti dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou – BD s rekuperací
Závěry
Z výše popsaných výsledků případových studií se pokusme vyvodit několik stručných závěrů. Pro případovou studii rodinného domu lze říci, že:
Budova s téměř nulovou spotřebou – rodinný dům
- má konstrukce o doporučených hodnotách U a okna s trojskly
- je špatný nízkoenergetický dům s kondenzačním kotlem (jiný se již nevyrábí)
- je zpravidla v třídě B celkové dodané energie, ale může být i v C
- je v třídě B neobnovitelné primární energie nebo lepší
- pokud splní parametry obálky (fR = 0,7), pak vše řeší například fotovoltaika nebo biomasa
- případně stačí zlepšení obálky na střední pasivní hodnoty Upas,20 dle ČSN 730540-2 pouze nucené větrání s vysokou účinností k plnění požadavků na TNB nestačí
Budova s téměř nulovou spotřebou – bytový dům
- pouze úpravami na obálce těžko dosáhne požadavku pro TNB (nutné by byly nejlepší z rozsahu hodnot Upas,20 dle ČSN 730540-2 pro pasivní domy)
- pouze s instalovaným kondenzačním plynovým kotlem a nízkoteplotní soustavou s radiátory rovněž obtížně splní požadavky
- pokud bude napojen na CZT, bude díky faktoru neobnovitelné primární energie a účinnosti výměníkové stanice uvnitř budovy plnění požadavků snazší
- může vyhovět požadavkům na TNB v případě instalace nuceného větrání se zpětným získáváním tepla společně s plynovým kondenzačním kotlem a nízkoteplotní soustavou s tělesy
- fotovoltaika nemusí být vždy řešení, především z důvodu nedostatečné plochy pro instalaci
- kotel na biomasu pro vytápění a přípravu teplé vody zpravidla vždy vyřeší požadavky na primární neobnovitelnou energii pro TNB
Je zřejmé, že plnění požadavků na budovu s téměř nulovou spotřebou energie je pro bytové domy komplikovanější, než v případě domů rodinných. Důvodem je menší prostor pro poměrné snižování celkových spotřeb kvůli nižšímu podílu složky vytápění. Je třeba poznamenat, že v případě menších bytových domů, nežli je budova v případové studii, bude plnění požadavků snazší. Obdobně, pokud se budeme zabývat například budovami administrativními, mohou se ukázat jako zásadní zcela jiné parametry, než je kvalita obálky. V některých případech, kdy je budova intenzivně větrána, může být řešením systém vzduchotechniky s vysokou účinností zpětného získávání tepla bez dalších úprav na obálce či systému vytápění oproti referenčním hodnotám.
Nicméně abychom se vrátili zcela na začátek k úvodu tohoto článku a k případným obavám projektantů či investorů z přílišné přísnosti požadavků. Z předložených případových studií je zřejmé, že požadavky na téměř nulovou budovu nejsou nikterak přísné ani progresivní. V současné době jsou tyto požadavky dalece překonány technologií pasivních domů a možností mnoha typů obnovitelných, alternativních, či pouze vysoce účinných zdrojů energie. V případě rodinných domů se v podstatě může jednat o velmi špatný nízkoenergetický dům s dnes již standardní kondenzační kotelnou na zemní plyn. Případně se může jednat o zcela obyčejnou novostavbu s rozumnou obálkou, opatřenou malou fotovoltaickou elektrárnou. Dalším řešením pak může být třeba i doplnění systému vytápění o běžná krbová kamna na dřevo. V otázce bytových domů pak může v některých případech stačit, že má dům okna s trojskly, a že je napojen na centrální systém zásobování teplem.
Závěrem ještě (trochu mimo řešené téma) dodejme, že aktuální systém hodnocení pomocí srovnání s referenční budovou, byť s mnoha výhodami ve své široké aplikovatelnosti na různé typy budov, provozů a geometrie, v podstatě nemusí vždy vést ke kvalitnímu návrhu budovy z pohledu úsporného geometrického uspořádání, využití solárních zisků a dalších parametrů, ke kterému naopak vede systém s uplatňováním absolutních limitů měrných spotřeb. Z toho důvodu můžeme narazit na budovu v energetické třídě C, která je nízkoenergetickým domem a současně na budovu ve třídě C s třikrát větší měrnou potřebou energie na vytápění.
Pokud bychom tedy skutečně chtěli do budoucna stavět ve větším měřítku výrazně úspornější budovy, nežli dnešní běžné novostavby, měli bychom se spíše ubírat cestou pasivního, případně jemu blízkého standardu, a to minimálně v případech rodinných domů. K tomuto by bylo pravděpodobně nutné přehodnocení či určité doplnění současných legislativních požadavků na budovy s téměř nulovou spotřebou energie.
For more than a year, a nearly zero-energy standard has applied to certain buildings. In the Czech environment, specific technical parameters for such buildings have been known for three years. And for over six years, the Directive on energy performance of buildings has been in force, imposing the obligation upon EU member states to introduce this standard.
Nevertheless, it seems that for many experts, including those in the field of energy, this term is still quite unclear. Many imagine buildings coated with photovoltaic modules from the ground to the roof, buildings which are better than passive ones or buildings which are self-sufficient, i.e. completely independent of public energy networks. Given the fact that the concept of a nearly zero energy building is very distant from such notions, and because this standard will soon become obligatory for all buildings, including small family houses, let's have a look at what a nearly zero-energy building really is.