Prvý preukazáteľne nulový dom na Slovensku
Výsledky merania spotreby energie a vnútornej klímy
Ide o samostatne stojaci nepodpivničený rodinný dom jednoduchého kompaktného tvaru s obdĺžnikovým pôdorysom, s dvomi nadzemnými podlažiami a plochou strechou. Je situovaný v obývanej oblasti Stará Kremnička, okres Žiar nad Hronom. Monitoring preukázal, že aj v podmienkach taketo klímy a slovenského stavebného trhu možno výstavbu domov s takmer nulovou spotrebou energie, alebo podľa rozličných definícií „nulových“ alebo „energeticky aktívnych“ domov etablovať ako štandardný spôsob výstavby. Referenčný dom bol osadený vysoko sofistikovanou technikou prostredia a technikou zdieľania obnoviteľných zdrojov. Tomu odpovedajú nároky na reguláciu. Mal zabezpečiť vysokú kvalitu a komfort vnútorného prostredia pri extrémne nízkej spotrebe energie, čo sa mu podarilo. Pasívnu bilanciu spotrebovanej/vyrobenej energie je možné efektívne dosiahnuť len vysokým štandardom tepelnej ochrany, definovaným ako zásady pre energeticky pasívne domy, za použitia obnoviteľných zdrojov energie.
1 Úvod
Nulový dom možno chápať v intenciách bilancie spotrebovanej a vyprodukovanej, či platenej energie. Pre objektívny pohľad sú dôležité práve bilančné výpočty, potvrdené reálnymi meraniami. Hoci na výpočet bilancie energie máme pomerne presné metódy od exaktných až po počítačové simulačné modely, realita bude odlišná. Čím je nižšia hodnota základného ukazovateľa – mernej potreby tepla/energie nižšia, tým budú výpočty citlivejšie a možná chyba významnejšia. Skúsenosti ukazujú, že mnoho domov, ktoré v návrhu vykazovali nízku spotrebu energie, reálne spotrebujú významne viac energie. Tak tomu môže byť vplyvom reálnej konštrukcie i technológie, kvality zhotovenia tepelných izolácií, citlivých detailov a podobne. Najväčší vplyv na spotrebu má však reálne správanie sa osôb, ktoré v dome bývajú a budú bývať. Najdôležitejším faktorom dosiahnutia štandardu nulového domu je reálna spotreba energie, na druhej strane najdôležitejším meradlom kvality vnútornej klímy je spokojnosť užívateľov. Preto sme sa rozhodli monitorovať jeden z prvých nulových domov postavených na Slovensku počas jeho užívania v období 2012/2013, merať bilanciu energie tohto rodinného domu i parametre vnútornej klímy, s cieľom zovšeobecniť tieto skúsenosti v ďalšom vývoji a realizácii.
2 Popis koncepcie, stavebného systému a techniky prostredia referenčného domu
Ide o samostatne stojaci nepodpivničený rodinný dom jednoduchého kompaktného tvaru s obdĺžnikovým pôdorysom, s dvomi nadzemnými podlažiami a plochou strechou. Je situovaný v obývanej oblasti Stará Kremnička, okres Žiar nad Hronom.
Autorom projektu známeho pod názvom EcoCube je Mgr. Art. B. Kjerulf a Ing. M. Prejsa, realizátorom firma Fordom, s.r.o. Stavba domu bola ukončená v roku 2011. Od tej doby je obývaný štvorčlennou rodinou. Dom je zoptimalizovaný z hľadiska orientácie k svetovým stranám. Na severnej strane domu sú situované miestnosti s krátkodobým pobytom, hlavne komunikačné priestory a vchod. Na južnej strane domu je obytná zóna, z tejto strany sú navrhnuté veľké zasklené plochy i východ na terasu domu. Obytná plocha je 159,6 m2.
Obr. 2 Skladba podlahy na teréne
Obr. 3 Skladba obvodovej steny
Obr. 4 Skladba strechy STR1
Podlaha rodinného domu je tepelne izolovaná pod úrovňou základovej dosky, vo forme 40 cm granulátu z penového skla. Na dome bola navrhnutá plochá extenzívna zelená strecha, na ktorej sú umiestnené fotovoltaické panely na výrobu elektriny. Nosná časť strechy i obvodových stien je vytvorená z prvkov zloženého skriňového prierezu. Hlavnú izolačnú rovinu tvorí priestor vyplnený minerálnou vlnou medzi nosníkmi. Izolácie v stene sú doplnené o inštalačnú vrstvu a v streche o spádovú vrstvu. V strope a vnútornej priečke je akumulačná vrstva z nepálených tehál.
Okrem núteného vetrania s rekuperáciou, ktoré spolu s dôkladnou izoláciou obvodových konštrukcií minimalizujú tepelné straty, je v dome aj stenové vykurovanie s rozvodom pod sadrokartónovým obkladom. Tepelná energia prostredníctvom tepelného čerpadla Ochsner Europa Mini EWT E4/W15-55 s vykurovacím výkonom 3 kW ohrieva vodu v zásobníku pomocou spodnej špirály. Prostredníctvom hornej špirály je teplo zo zásobníka odoberané na vykurovanie objektu. Vykurovací okruh slúži aj na letné chladenie. Výparník tepelného čerpadla je zakopaný v zemi v hĺbke 1,2 m pod terénom nad potrubím soľankového výmenníka.
Ako vzduchotesná rovina slúži OSB doska s prelepením spojov páskami Airstop. Blower-door test bol vykonaný počas výstavby s výslednou hodnotou n50 = 0,58 h−1. Vetranie so spätným získavaním tepla zabezpečuje vetracia a rekuperačná jednotka Santos 370DC s maximálnym výkonom 100 m3/hod. Je umiestnená v technickej miestnosti spolu s tepelným čerpadlom.
Na plochej streche rodinného domu je umiestnených 23 fotovoltaických polykryštalických panelov s rozmermi 1642 × 994 × 40 mm. Celkový výkon všetkých panelov je 4,83 kW. Zariadenie výroby elektriny zo slnečnej energie bolo uvedené do prevádzky v decembri 2011. Úradom pre reguláciu sieťových odvetví na Slovensku bolo vydané rozhodnutie o výške výkupnej ceny elektriny od majiteľa domu, pre rok 2011 bola pevná cenu elektriny pre stanovenie doplatku vo výške 259,17 €/MWh. Dom je zariadený spotrebičmi s nízkou spotrebou elektriny. Napriek tomu, že sa v budove nachádzajú spotrebiče s nízkou spotrebou energie, počet týchto zariadení je v domácnosti pomerne vysoký. V celom dome sa nachádza osvetlenie z LED žiaroviek, čo sa podieľa na znížení spotreby elektrickej energie, ale i znížení tepelných ziskov.
Pri kolaudácii bol rodinnému domu vystavený energetický certifikát, ktorého spracovateľom bol autor príspevku. Rodinný dom bol zaradený do kategórie A, s vypočítanou hodnotou globálneho ukazovateľa – celkovej dodanej energie 14 kWh/(m2.rok), avšak s hodnotou primárnej energie 0 kWh/(m2.rok), keďže podľa európskej technickej normy STN EN 15603 „Energetická hospodárnosť budov...“, ktorá bola v dobe výstavby budovy platná, predávaná energia do siete neovplyvňuje dodanú energiu, ale len primárnu energiu, pretože je to odvádzaná energia. Primárna energia z výpočtu k energetickému certifikátu vyšla záporná. Vzhľadom na to, že v energetickom certifikáte nebolo možné pri preukázaní primárnej energie uvádzať záporné čísla, bola budova zaradená do nulového štandardu z hľadiska primárnej energie.
3 Meranie a aparatúra
Obr. 5a Snímacie zariadenia DTHL Klima Logger
Obr. 5b Merač CO₂ Wöhler CDL 210
Na meranie vonkajších a vnútorných teplôt vzduchu, relatívnej vlhkosti a koncentrácie CO2, ako aj záznam dát, bolo použitých niekoľko jednotiek záznamových systémov podľa obr. 5.
Na meranie spotreby energie na jednotlivých spotrebičoch, vrátanie tepelného čerpadla a rekuperačnej jednotky, ako aj záznam dát, boli použité bezdrôtové merače Solight DT23. Údaje o denných, mesačných i sezónnych hodnotách dodanej energie z fotovoltaických panelov boli poskytnuté priamo z databázy výrobcu, ktorý ich snímal on-line. Súčasťou meraní bol podrobný záznam užívateľa o obsadenosti objektu, využívaní väčších spotrebičov a aj zásahoch do chodu vetracieho systému (trojstupňovej kontroly). Pred uskutočnením merania boli vypočítané hodnoty potreby tepla na vykurovanie a chladenie, vrátane mechanického vetrania, prípravy teplej vody, ale aj potreby energie na osvetlenie a spotrebiče v domácnosti, aby bolo možné porovnávať namerané hodnoty s vypočítanými.
4 Výsledky spotreby a produkcia energie
Porovnanie vypočítaných a nameraných hodnôt spotrebovanej, ako aj vyprodukovanej energie, vztiahnutej na sledované obdobie 2011/1012 je na grafe na obr. 6. Na obrázku 7 je zobrazený graf predpokladanej produkcie (červenými čiarami) a skutočnej produkcie (žltými stĺpcami) elektrickej energie fotovoltaickými panelmi od začiatku prevádzky v r. 2011. Výsledný údaj vyrobenej energie za sledované obdobie 2012 bol zverejnený úradom pre reguláciu sieťových odvetví vo výške 5110 kWh/rok.
Obr. 6 Spotrebovaná a vyprodukovaná energia v kWh za vykurovaciu sezónu
Obr. 7 Graf vyprodukovanej energie v kWh od začiatku sledovaného obdobia v roku 2011
5 Parametre vnútornej klímy
Počas sledovaného obdobia sa monitorovala teplota a relatívna vlhkosť vzduchu vo vybraných miestnostiach, ako aj obsah CO2 v interiéri. Vybraté hodnoty pre extrémne obdobie na prelome 2012/2013 sú na nasledovných grafoch.
Obr. 8 Priebeh teplôt vzduchu vo vybraných miestnostiach a v exteriéri (pozícia sever, juh) v období od 21. 12. 2012 do 4. 1. 2013
Obr. 9 Priebeh relatívnej vlhkosti vzduchu vo vybraných miestnostiach a v exteriéri (pozícia sever, juh) v období od 21. 12. 2012 do 4. 1. 2013
Obr. 10 Extrémny denný priebeh obsahu CO₂ vo vybranej miestnosti
6 Diskusia k výsledkom
Obr. 11 Výkon fotovoltických panelov na plochej streche objektu znižovala snehová pokrývka...
Obr. 12 ...a po odstránení snehu v popoludňajších hodinách sa výkon podstatne zvýšil
Spotrebu energie významným spôsobom ovplyvnilo správanie sa užívateľa. Majiteľ domu nastavil termostatickú kontrolu až na hodnotu 24 °C. Vplyvom nárazových vyššíchtepelných ziskov vplyvom zvýšeného počtu osôb a solárnych ziskov bola reálna teplota v zime ešte vyššia a spotreba naopak nižšia. Môžeme predpokladať, že spotreba tepla na vykurovanie by bola podstatne nižšia pri nižšom nastavení teploty aspoň o 2 °C. Odporúčaná relatívna vlhkosť vzduchu by mala byť 50–60 %, vo vykurovacej sezóne bola nameraná priemerná vlhkosť vzduchu 40 %. Obsah oxidu uhličitého mierne prevyšoval normatívnu hodnotu 1 500 ppm priemerne dva až tri krát za deň. Táto hodnota bola zvýšená len niekoľko minút. Výnimkou bol extrémny stav, kedy sa v meranej miestnosti vyskytoval vyšší počet osôb (obr. 9). Uvedené hodnoty boli dosiahnuté pri najnižšom prvom stupni výmeny vzduchu, kedy bola zaznamenaná podstatne nižšia spotreba obslužnej energie na chod vetracej jednotky. Počas letného obdobia teplota v interiéri neprevýšila hodnotu 26 °C.
Výkon fotovoltaických panelov bol okrem štandardných klimatických vplyvov významne ovplyvnený výškou snehovej pokrývky a odpovedajúcou údržbou. Taktiež vplyvom nevhodného umiestnenia meniča v nevetranej miestnosti sa znižovala účinnosť zariadenia.
Predpokladaná ročná výroba elektrickej energie, dodávaná do siete, získaná pomocou výpočtov je 4610 kWh.
Množstvo elektrickej energie na doplatok (vyrobená elektrina) za rok 2012 bol 5110 kWh. Za predpokladu rovnakého správania sa budovy v prvom polroku 2012 i 2013 možno konštatovať, že budova rodinného domu mala v roku 2012 zápornú bilanciu spotrebovanej a vyprodukovanej energie. Vzhľadom na možnosť zvýhodnenej ceny výkupu elektrickej energie z FVE, ktorá platila v tomto období a ktorú sa užívateľovi podarilo získať na dobu 15 rokov, po odpočítaní nákladov na ročnú prevádzku dom „zarobil“ za rok 2012 spolu 757,9 €. Z finančného hľadiska bude dom v priebehu nasledujúcich piatich rokov prinášať zisk maximálne do 800 €. Účinnosť FV panelov však priamoúmerne klesá s pribúdajúcimi rokmi užívania. Táto zmena sa výraznejšie prejaví po 20 rokoch využívania panelov.
Na základe preukázaných parametrov vnútornej klímy, s výnimkou relatívnej vlhkosti, bol v rodinnom dome zabezpečený vysoký komfort vnútornej klímy. Napriek tomu bol jeho užívateľ nespokojný so situáciou, kedy nebolo možné dlhodobé nastavenie teploty nad 24 °C v zimnom období a pod 24 °C v letnom období. Predimenzovanie vykurovacieho a chladiaceho systému by však prinieslo podstatne vyššiu spotrebu energie a investície do zariadení, či stavby – napr. predimenzovanie soľankového okruhu.
Stavebná sústava uvedeného domu má ešte rezervy v znižovaní spotreby energie, najmä s ohľadom na vzduchotesnú rovinu v obalovom plášti a vývojové možnosti transparentných výplní otvorov, či použitia transparentných tepelných izolácií.
7 Závery
Monitoring referenčného domu preukázal, že aj v podmienkach slovenskej klímy a slovenského stavebného trhu možno výstavbu domov s takmer nulovou spotrebou energie, alebo podľa rozličných definícií „nulových“ alebo „energeticky aktívnych“ domov etablovať ako štandardný spôsob výstavby. Referenčný dom bol osadený vysoko sofistikovanou technikou prostredia a technikou zdieľania obnoviteľných zdrojov. Tomu odpovedajú nároky na reguláciu. Mal zabezpečiť vysokú kvalitu a komfort vnútorného prostredia pri extrémne nízkej spotrebe energie, čo sa mu podarilo. Pasívnu bilanciu spotrebovanej/vyrobenej energie je možné efektívne dosiahnuť len vysokým štandardom tepelnej ochrany, definovaným ako zásady pre energeticky pasívne domy, za použitia obnoviteľných zdrojov energie.
This paper deals with investigation of the relationship between calculated and on-site measured values of energetic parameters in a zero house built in Slovakia. Energy consumption of a zero house is currently being discussed and examined from the viewpoint of energy consumption and comfort of the house residents. The paper investigates the differences between the results of simulation models and calculated values and real data on consumption. All the values are compared to the values measured by DTHL Klima Logger device and Wohler CDL 210 device to measure levels of CO2, and the data taken from a heat pump and a recuperation unit related to the residents’ behaviour records. The results show that energy consumption was influenced significantly by residents’ behaviour, setting of inner temperature besides airtightness of the outer envelope and window fillings. Based on the research results the construction of a zero house can be considered a standard option in conditions of Slovakia.