Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov podle vyhlášky 148/2007 Sb. (II)

1. Úvod

Druhá část článku věnujícímu se výpočetnímu nástroji pro stanovení energetické náročnosti budovy podle vyhlášky 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov je přímo zaměřena na detailní popis výpočetního nástroje NKN a plynule tak navazuje a doplňuje předchozí úvodní část I. Tento článek je prakticky zaměřen s cílem na detailní popis výpočetního nástroje NKN, jeho filosofie a praktické použití.

2. Základní popis výpočetního nástroje NKN

Výpočetní nástroj je jako celek proveden v prostředí MS Excel. Uživatelské rozhraní výpočetního nástroje NKN je podřízeno architektuře NKN pramenící z možností prostředí MS Excel a maticového principu výpočtu s potřebou vzájemné interakce a vzájemné kombinace nezávislých prvků, které v základě představují zóny budovy a jednotlivé energetické systémy. Uživatelské rozhraní představují jednotlivé listy v sešitu souboru tabulkového SW MS Excel. Uživatel s výpočetním nástrojem NKN komunikuje pouze prostřednictvím jednoho excelovského sešitu vkládáním dat do odemčených buněk příslušných přístupných listech. Listy s výpočetním algoritmem a listy pomocné a potřebné z hlediska výpočtu jsou uživateli skryty, případně zamčeny. Jednotlivé listy jsou členěny tak, že logicky kopírují systém členění budovy a reprezentují tak jednotlivé části budovy stejně jako je tomu tak při návrhu budovy. V tomto ohledu je třeba uvést, že výpočetní nástroj NKN není prostředek pro návrh (expertní výpočetní nástroj), ale pouze prostředek pro posouzení již navrženého řešení, kdy jsou použity okrajové podmínky a dílčí závěry platné pro návrh dané budovy, nebo jejího řešení. Součástí nástroje je pro zadání některých buněk provedena kontextová nápověda. NKN v.1.xx byl vytvořen s výpočetním jádrem, které připouští omezenou kombinaci počtu zón a jednotlivých energetických systémů. NKN byl proto sestaven pro omezený počet základních vstupů, které reprezentuje Tab. 1).

Tab. 1) Počet základních vstupů v NKN v. 1.XX

Z důvodu maticového principu výpočtu, kombinace jednotlivých zón a kombinace energetických systémů, vč. vzájemné interakce, bylo dosaženo téměř maximální kapacity počtu buněk v jednotlivých listech sešitu MS Excel a některých dalších omezení uvedených v Tab. 2) a které vyplývají z použité verze MS Excel XP. Z důvodu rozsáhlého maticového výpočtu a potřeby srozumitelného intuitivního uživatelského rozhraní byla dosažena velikost jednoho sešitu MS Excel 70,3 MB. Vzhledem k nutnosti průběhu dvou simultánních výpočtů referenčních budov současně pak byla celková velikost souboru tří provázaných a současně spuštěných sešitů MS Excel cca 201 MB. Z tohoto důvodu následně vyplynulo omezení kladoucí nároky na hardwarové vybavení, na kterém byl provozován výpočetní nástroj. Toto omezení se dotýkalo především dostupnou pamětí a systémovými prostředky. Doporučená optimální konfigurace počítače pro použití NKN v. 1.xx byla proto stanovena parametry - CPU 1,5 GHz, 512 RAM, Microsoft Office XP nebo 2003 (pozn. na počítači této konfigurace NKN vzikal).

Tab. 2) Omezující parametry v prostředí MS Excel

Na základě praktických zkušeností, provedenou praktickou aplikací a na základě testování byla pro verzi NKN v.2.xx provedena redukce počtu základních vstupů, kdy se omezení týká pouze počtu zón. Počet 15 zón se z praktického hlediska ukázal jako zbytečný a zvyšoval tak velikost souboru výpočetního nástroje NKN. NNK v.2.xx pracuje se základním počtem 5 zón. Na základě konečného znění prováděcí vyhlášky byly odstraněny simultánní výpočty referenčních budov z důvodu změny způsobu zatřídění budovy do třídy energetické náročnosti. Následný výpočetní nástroj NKN v.2.xx je již souborem MS Excel o běžné velikosti s programovatelnými funkcemi a grafickým uživatelským rozhraním. Výpočetní nástroj NKN v.2.xx neobsahuje uvedená omezení, která se vyskytovala ve verzi NKN v.1.xx.

Základní požadavek na rozdělení výpočtu do dílčích časových úseků v důsledku znamená rozdělení výpočtu do hodinového kroku. Důvodem je potřeba rozlišení časového úseku během dne, kdy je objekt v plném provozním režimu, v režimu útlumu, vč. jednotlivých energetických systémů. Hodinový krok výpočtu byla proto zvolen z důvodu potřeby přesnějšího vyjádření potřeby energie. Výpočetní nástroj NKN, provádějící výpočet ENB, proto pracuje na základě zjednodušeného hodinového kroku výpočtu, který respektuje databázový soubor klimatických dat zahrnujících hodnoty venkovních teplot pro příslušný měsíc a hodnoty sluneční radiace. NKN pracuje s databází klimatických hodnot využívající čtyři klimatické oblasti ČR podle ČSN 73 0540-3. Pro každou klimatickou oblast je vytvořen soubor 12 referenčních dnů s hodinovým průběhem (1 referenční den zastupuje 1 měsíc). V rámci detailnějšího kvazihodinového výpočtu je potřeba energie na vytápění a chlazení modelováno pro příslušné časové úseky s hodinovým krokem výpočtu. Použitím měsíční intervalové metody, případně se zpřesněním s hodinovým krokem výpočtu, se dosáhne dostatečně přesných výsledků vypočtené potřeby energie na vytápění pro výpočtové období jednoho roku. Dynamické vlivy změn denního průběhu teplot u hodinové intervalové metody jsou uvažovány a vliv setrvačnosti budovy je zahrnut prostřednictvím tzv. stupně využití tepelných zisků a tepelných toků.

3. Struktura výpočetního nástroje NKN - uživatelské rozhraní

Architektura NKN vychází z principu, kdy uživatelské rozhraní představují jednotlivé listy sešitu MS Excel. Členění a posloupnost jednotlivých listů představuje logický postup, který vychází z procesu návrhu budovy. Každý list reprezentuje soubor spolu souvisejících parametrů, které popisují danou část týkající se budovy, zóny, nebo energetického systému. Popis budovy a jejích částí vychází ze základní filosofie hodnocení ENB a to objektivně nezávislého porovnání. Z tohoto důvodu jsou do nezbytně nutné míry eliminovány přímé číselné vstupy, kterými by uživatel mohl, nebo chtěl vědomě ovlivnit výslednou hodnotu ENB. Z tohoto důvodu většina vstupů, které určují provoz, systémové řešení a užívání budovy, jsou načítány ze skrytých databázových listů na základě volby uživatele z předdefinovaných nabídek, které reprezentují výběr uživatelského profilu standardizovaného užívání náležejícího dané zóně. Mezi jednotlivými listy se uživatel pohybuje přepínáním pomocí tlačítek, případně pomocí vstupního listu, který obsahuje základní strom tlačítek odkazující se na všechny listy obsažené v sešitě reprezentující výpočetní nástroj NKN.

Obr. 1) Vstupní list NKN v. 1.xx

Vlastní popis budovy je založen na principu multi-zónového modelu budovy, který je zásobován různou volitelnou kombinací energetických zdrojů za pomoci jednotlivých distribučních energetických systémů propojujících zónu budovy a definované energetické systémy. Výpočet ENB je založen na interakci mezi jednotlivými částmi budovy (zónami) v kombinaci s jednotlivými energetickými systémy, Obr. 2).

Obr. 2) Základní členění a provázanost energetických systémů dodávajících energii do zóny

4. Výpočetní nástroj - zadání budovy

Primárními vstupy potřebnými pro zadání budovy pro hodnocení ENB jsou identifikační údaje budovy. Identifikační údaje vyplývají z požadavků na údaje, které musí být obsaženy v protokolu průkazu ENB, uvedeného v příloze vyhlášky 148/2007 Sb. Identifikační údaje představují základní identifikaci místa, vlastníka budovy, případně pronajímatele budovy a další doplňující údaje. Základním primárním vstupním údajem potřebným pro výpočet ENB je:

• výběr příslušné klimatické oblasti náležející budově, viz 5,
• základní rozdělení budovy na zóny, viz 6,
• přiřazení příslušných profilů standardizovaného užívání jednotlivým zónám, viz 6.

Další krok představuje:

• podrobný popis jednotlivých zón - provozně a stavebně, viz 7,
• podrobný popis jednotlivých energetických systémů a jejich provázání s příslušnými zónami, viz 7.

5. Klimatická data

Z důvodu porovnání budov, které jsou primárně navrhovány na dané klimatické podmínky - které jsou v místě budovy - tomuto požadavku odpovídají klimatická data. V klimatické databázi výpočetního nástroje NKN zpracovaného pro aplikaci národní metodiky výpočtu energetické náročnosti budov se používají klimatická data pro 4 klimatické oblasti ČR podle ČSN 730540-3, příloha H1, viz Obr. 3). Pro každou klimatickou oblast byl vytvořen soubor 12 syntetických referenčních dnů v hodinovém průběhu teplot, kdy každý z dnů reprezentuje jeden měsíc. Při tvorbě datového souboru popisujícího průběh teploty venkovního vzduchu se vycházelo z průměrných měsíčních hodinových hodnot se zohledněním amplitudy v letním období. Průběhy intenzity slunečního záření a měrné vlhkosti byly pro tento účel uvažovány shodné pro všechny čtyři teplotní oblasti.

Obr. 3) Mapa teplotních oblastí dle ČSN 730540 - 3, příloha H1

Pro potřeby výpočtu byl zvolen formát klimatických dat, který vychází opět z primární funkce výpočetního nástroje (multizónový model s různou kombinací energetických systémů a vzájemnou interakcí zón a systémů). Byl zvolen zjednodušený formát hodinových syntetických klimatických dat, který byl také testován a validován vzhledem k dostupným referenčním rokům ("reference year") pro příslušnou klimatickou oblast. Při tvorbě datového souboru se bylo vycházeno z klimatických dat TM2 (TRNsys 16 Climate Database). Formát klimatických dat představuje 12 syntetických referenčních dnů v hodinovém průběhu teplot, kdy každý z dnů reprezentuje jeden měsíc, viz Obr. 5). Běžně používaný postup stanovení potřeby energie na základě průměrné hodnoty denní teploty je standardní u stanovení potřeby energie na vytápění, pokud by tento princip byl použit u výpočtu potřeby energie na chlazení v letním období pak by teoretická potřeba energie na chlazení byla nulová z důvodu skutečnosti, že průměrná denní teplota v letním období je nižší, než nejvyšší přípustná teplota udržovaná v posuzované budově, nebo zóně, viz Obr. 5). Druhý parametr databázového souboru klimatických dat představuje Intenzita solární radiace. Intenzita solární radiace je v NKN definována pomocí základního souboru kdy hodnota solární radiace je pro celé území ČR zvolena jako konstantní. Pomocí identifikace klimatické oblasti dle ČSN 730540-3 je proveden výpočet s uvedenými klimatickými daty pro letní a zimní období. Vždy pro příslušnou charakteristickou klimatickou oblast (oblast I - IV), je následně automaticky přiřazen příslušný datový soubor klimatických dat na základě volby uživatele. Uživatel formát klimatických dat nemůže ovlivnit.

Obr. 4) Průběh hodinových teplot v letním a zimním období v závislosti na potřebě energie na vytápění a chlazení

Obr. 5) Průběh referenčního dnu pro 4 klimatické oblasti

6. Zónování budovy a standardizované profily užívání budovy

Dalším vstupem a nezbytným požadavkem pro výpočet je zónování budovy, tzn. geometrické rozdělení budovy na jednotlivé části, které se vyznačují specifiky ovlivňující výslednou výši potřeby a spotřeby energie. Zóny je třeba vzájemně vyhodnotit odděleně, zvlášť, ovšem za předpokladu jejich vzájemné interakce. Každá zóna je zadávána zvlášť a popsána geometrickou charakteristikou (základní rozměry, podlahová plocha, objem, apod.). Každou zónu je nutno popsat specificky z hlediska provozu a užití energie. Toto představuje vedení a přenos energie otopné soustavy v podobě stanovení účinnosti využití energie v podobě emise a distribuce energie v celkové bilanci zóny. Dále je potřeba zónu definovat především popisem provozu zóny a jejího užívání. Tento krok reprezentují tzv. profily standardizovaného užívání. Profil standardizovaného užívání tak představuje soubor základních okrajových podmínek, které jsou výchozími podmínkami pro výpočet ENB. Ve výpočetním nástroji je uvedeno 48 přednastavených standardizovaných profilů budovy. Tyto profily definují "správný provoz" zóny pomocí pevně stanovených hodnot. Takových hodnot v profilu, které u reálného objektu zajistí požadované vnitřní prostředí, např. nedochází k přetápění, nedostatečné výměně vzduchu, podsvětlení apod. Z výběru těchto profilů je každé zóně v základní nabídce přiřazen profil, který rámcově odpovídá provozu zóny. Jednotlivé profily standardizovaného užívání jsou seřazeny do provozně příbuzných skupin podle charakteristiky objektu, např. obytné domy, administrativní budovy apod. Profily standardizovaného užívání jsou definovány ve vlastním listu sešitu MS Excel a uživateli je přístupný pouze pro prohlížení. Hodnoty jsou seřazené v listu podle příslušnosti k užívání zóny, vytápění, chlazení, větrání a tepelným ziskům a slouží jako vstupní údaje do výpočtu. Pokud je třeba vytvořit vlastní specifický profil, či existující profil změnit, pak uživatel může využít prostoru pro definování pěti vlastních profilů. Stejným způsobem, jako je uveden v příloze jsou potom popsány všechny profily standardizované užívání. Podrobný popis všech profilů standardizovaného užívání je veden v manuálu, který je součástí NKN.

7. Popis budovy - stavební řešení a technické řešení

Popis budovy je založen na principu zadávání co nejmenšího množství přímých číselných vstupů. Zadávané vstupy lze rozdělit na dvě skupiny:

• přímý číselný vstup - přímá číselná hodnota charakterizující příslušný údaj,
• nepřímý číselný vstup - vstup je sekundárně stanoven, nebo vypočten na základě výběru základních charakteristik z přednastavených možností v rozevírací nabídce příslušného údaje, který charakterizují.

Přímé číselné vstupy představují údaje, které jsou nezbytné a nelze je prostřednictvím výpočetního nástroje stanovit objektivní nezávislou metodou. Množství těchto vstupů bylo minimalizováno pro dosažení nejobjektivnějšího způsobu stanovení hodnoty charakterizující energetickou náročnost budovy za předpokladu jejího standardizovaného užívání ve smyslu zákona 406/2006 Sb. v pozdějším znění. Nepřímý číselný vstup je přímo stanoven, nebo vypočten pomocí výběru jedné nebo kombinace několika charakteristik z přednastaveného výběru. Tento způsob vychází z požadavku minimalizace nevědomého, nebo vědomého záměrného ovlivnění výsledku korekcí některých vstupů. Kombinace přímých číselných a nepřímých vstupů proto přináší relativně objektivní způsob výpočtu a hodnocení ENB.

Popis stavebního řešení je podřízen způsobu rozdělení budovy do zón. Každou zónu je třeba popsat zvlášť z hlediska provozního řešení a stavebního řešení. Zóna je definována jak přímými číselnými vstupy, tak nepřímými vstupy. Přímé číselné vstupy popisují velikost zóny, geometrické uspořádání, charakterizují způsob krytí potřeby energie v dané zóně. Nepřímé vstupy stanovují způsoby užití energie v zóně. Každá zóna musí být charakterizována prostřednictvím ohraničujících konstrukcí, pomocí stavebního řešení. Stavební část řešení objektu je popsáno identifikací stavebních konstrukcí, tzn. identifikací tepelně technických vlastností pomocí přiřazení předdefinované skladby z vytvořeného katalogu konstrukcí, identifikace prostředí za konstrukcí, orientací konstrukce vůči světovým stranám a zvolení sklonu konstrukce. Tímto zadáním stavební charakteristiky objektu, tzn. tepelně technických vlastností zón a popisu provozu zóny (v základě pomocí profilu standardizovaného užívání zóny) je definována výše potřeb energie. Popis stavebního řešení je rozdělen do základních listů uvedených v Tab. 3).

Tab. 3) výpočetní nástroj NKN - stavební řešení

V druhém kroku je třeba provést definování jednotlivých energetických systémů. Tímto je zajištěno krytí potřeby energie prostřednictvím dodané energie z místa výroby do místa odběru, resp. skutečná spotřeba energie - celková dodaná energie do budovy. Jednotlivé energetické systémy jsou definovány pomocí výběru z předdefinovaných systémových řešení. Každý energetický systém představuje zdroj, který zajišťuje krytí potřeby energie v příslušné zóně. Kombinace jednotlivých energetických systémů zásobujících příslušné zóny může být volitelná různá. Omezení je dáno pouze maximálním počtem příslušných energetických systémů. Každý energetický systém je charakterizován nepřímým vstupem - určuje systémové řešení a přímým vstupem - zpravidla charakterizuje doplňkovou hodnotu vedoucí k určení účinnosti výroby energie a její distribuce. Obecně je účinnost je ve smyslu výpočtové metodiky chápána jako využitelná energie, která je pomocí dané části dopravena do místa spotřeby energie z místa výroby - zdroje, který spotřebovává energii dodanou do budovy. Tento princip je společný pro všechny části výpočtové metodiky z hlediska užití a distribuce energie. Jednotlivé energetické systémy jsou ve výpočetním nástroji logicky členěny do zvláštních listů podle určení a zaměření z hlediska výroby krytí potřeby energie v objektu.

Tab. 4) Výpočetní nástroj NKN - popis energetických systémů

Některé požadované vstupy v rámci výpočetního nástroje NKN nejsou primárně potřebné pro výpočet. Požadavek na jejich zadání je pouze na základě formální správnosti protokolu průkazu ENB a jeho grafického znázornění podle požadavků uvedených ve vyhlášce 148/2007 Sb.

8. Výpočet, Výstupy - hodnocení ENB

Základní výpočet a dílčí mezivýpočty jsou prováděny ve skrytých listech, které nejsou viditelné a uživateli jsou skryté z důvodu nechtěného, nebo neoprávněného zásahu, nebo přímo v listech zadávacích. Tyto jsou opět uživateli z výše uvedených důvodů skryty. Na některé neúplné údaje je uživatel upozorněn v průběhu zadávání, nicméně postup zadávání není kontrolován celkově. Tento způsob není úplně v prostředí MS Excel možný a jeho použití je možné a doporučené až pro výpočetní nástroj naprogramovaný do standardního uživatelského rozhraní.

Výstupy z výpočetního nástroje NKN představují základní dokument požadovaný legislativně - průkaz energetické náročnosti budovy, který se skládá ze dvou základních částí:

• grafické znázornění průkazu ENB - grafické znázornění třídy ENB, která zařazuje budovu do třídy ENB pomocí barevně odlišené stupnice;
• protokol průkazu ENB - protokol, který popisuje formou vyplněného formuláře budovu jak po stránce stavební a jejích tepelně technických parametrů, tak po stránce jednotlivých energetických systémů, včetně tříd energetické náročnosti pro jednotlivé energetické systémy, pokud jsou v budově osazeny.

Dalším výstupem, jehož účel je ryze praktický a orientační (kontrolní), představuje výstup v podobě souhrnu číselných hodnot dílčích výsledků výpočtů, jejich parcelizace podle výpovědní hodnoty, účelu a následná sumarizace. Tyto hodnoty jsou vyjádřeny ve zvláštním listu "Energie - graf". Tento list představuje souhrn potřeby a spotřeby dodané energie do budovy pomocí grafického znázornění a tabulkových hodnot v přehledném uspořádání s rozlišením měsíčních hodnot potřeby energie na vytápění a větrání chlazení a ohřev teplé vody a spotřeby energie pro vytápění a větrání, chlazení, vlhčení, ohřev teplé vody, osvětlení a pomocné energie potřebné na provoz energetických systémů. Grafické vyjádření obsahuje jak absolutní měsíční hodnoty dílčích potřeb a spotřeb v podobě sloupcových grafů a tabulkových hodnot, tak celkovou roční potřebu a spotřebu energie a její měrné vyjádření vzhledem k podlahové ploše z důvodu všeobecně srozumitelné vypovídající hodnotě tohoto údaje, který slouží např. jako jasný ukazatel tzv. standardu nízkoenergetických (potřeba tepla na vytápění < 50 kWh/m²), nebo pasivních budov (potřeba tepla na vytápění < 15 kWh/m²).

Grafický výstup reprezentuje objekt jako celek s veškerými informacemi, které jsou vyžadovány legislativně a údaji, jejichž využití a potřeba je čistě technické. Technické údaje jsou to především ty které jsou nad míru legislativních požadavků (protokol průkazu ENB), ale jsou důležité pro dílčí porovnání objektu a vytvoření rámcového obrazu o budově jako celku z pohledu detailnější analýzy potřeby a spotřeby energie, kterou průkaz ENB nezahrnuje.

Obr. 6) Grafický výstup NKN - vyjádření spotřeby energie (po kliknutí se obrázek zvětší)

9. Závěr

Popsaný výpočetní nástroj NKN představuje nástroj, který je logicky správnou formulací postupu výpočtu ENB, který předpokládá a požaduje vyhláška 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov. V současné době se intenzivně připravuje konečná verze výpočetního nástroje NKN v.2.03. Ta po finalizaci a dokončení validace výpočetního nástroje bude uveřejněna v průběhu září 2009. Doposud zveřejněné mezi verze reflektovaly legislativní vývoj a změny ve vyhlášce a výpočet a průkaz ENB provedený pomocí těchto verzí NKN není správný a neodpovídá konečné podobě vyhlášky 148/2007 Sb. Jak je z uvedených informací v tomto článku a předešlém díle článku patrné vývoj výpočetního nástroje je značně komplikovaný a představuje velké množství kroků a etap, které je nutné a nezbytné provést před finalizací hotového výpočetního nástroje, který bude odpovídat nedávno zveřejněné vyhlášce 148/2007 Sb.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003 na základě výsledků projektu CEA 2220046120.

Přílohy v PDF

Příklad a popis profilu standardizovaného profilu užívání budovy - profil: bytový dům

Literatura

[1] směrnice 2002/91/ES, o energetické náročnosti budov (EPBD)
[2] zákon č. 406/2006 Sb., který obsahuje úplné znění zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, jak vyplývá ze změn provedených zákonem č. 359/2003 Sb., zákonem č.694/2004 Sb., zákonem č. 180/2005 Sb. a zákonem č. 177/2006 Sb.,
[3] vyhláška č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov
[4] ČSN EN ISO 13790 - Tepelné chování budov- Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění
[5] ČSN EN 12831 - Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu
[6] ČSN 73 0540-3 - Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování
[7] EN ISO 13370 - Tepelné chování budov - Přenos tepla zeminou - Výpočtové metody
[8] ČSN EN 14438 - Sklo ve stavebnictví - Stanovení hodnoty energetické bilance
[9] ČSN 060320 Ohřívání užitkové vody - Navrhování a projektování
[10] ČSN EN 832-Tepelné chování budov - Výpočet potřeby tepla na vytápění - Obytné budovy
[11] ČSN 730540 (2002) - Tepelná ochrana budov
[12] DIN V 18599: Neue Vornorm zur energetischen Bewertung von Gebäuden gemäß neuer EU-Richtlinie
[13] Projekt CEA 2220046120, Národní metodika výpočtu energetické náročnosti budov - výpočetní nástroj
[14] Kabele, K., Urban, M., Adamovský, D., Musil, R., Kabrhel M.: Metodika výpočtu energetické náročnosti budov v ČR, Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie Vykurovanie 2007. Bratislava: Slovenská spoločnost pro techniku prostredia, 2007, s. 55-58. ISBN 978-80-89216-13-0.
[15] Urban, M., Kabele, K., Adamovský, D., Musil, R., Kabrhel M.: Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov v ČR, zborník prednášok Tepelná ochrana budov 2007. Bratislava: Intenzíva s.r.o., 2007, s. 105-110. ISBN 978-80-969243-5-6.