Energetická náročnost průmyslových budov – ČÁST 3 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU ENERGIE
Povinný standard budovy s tzv. nulovou spotřebou energie startuje pro větší průmyslové budovy od 1. ledna 2018. To bude mít zásadní dopad zejména do návrhu obálky budovy. Článek analyzuje, zda jsou současně nastavené podmínky na budovu s téměř nulovou spotřebou energie vůbec technicky a zejména ekonomicky dosažitelné. Analýza je prováděna na typické průmyslové budově.
Úvod
V předchozích, více teoretických, dílech tohoto seriálu byly podrobně rozebrány legislativní souvislosti i metodiky výpočtu a hodnocení energetické náročnosti budov zejména s ohledem na hodnocení obálky budovy. Obálka budovy byla vyhodnocena jako v současnosti nejužší místo plnění požadavků kladených na novostavby. Poslední díl představuje již konkrétní případovou studii, která je provedena na typické průmyslové budově.
Případová studie
Pro účely tohoto výpočtu byla použita typická průmyslová budova, která odpovídá současným prostorovým a funkčním požadavkům uživatelů – nejčastěji mezinárodních klientů s přesně definovanými požadavky na vnitřní prostředí, kterým je budova projektantem přizpůsobena. Budova je většinou stavěna jako univerzální s možností změny provozu bez významných zásahů do nosné konstrukce.
Typická průmyslová budova:
Základní údaje budovy:
| Zastavěná plocha | 11 700 m2 |
| Objem budovy | 152 000 m3 |
| Světlá výška haly | 11 m |
| Členění budovy | Hala – výroba, skladování, příjem zboží, expedice Administrativní část – kanceláře zasedací místnosti, sociální zařízení (sprchy, šatny), kantýna, jídelna, technické místnosti. |
| Provozní doba | Hala – 24/7 – nepřetržitý provoz ve třech směnách Administrativní část – jednosměnný provoz u kanceláří, šatny a zázemí pro pracovníky z výroby v provozu 24/7 |
| Požadavky na vnitřní prostředí* | Hala – vytápění na běžnou pobytovou teplotu, bez strojního chlazení, požadavek na podíl denního osvětlení (optimalizována plocha světlíků), třída práce nejčastěji IIa u výrobní části příp. IIb u skladových prostor. Činnost a třída práce se v rámci haly může v průběhu životnosti budovy měnit. Administrativní část – kanceláře a jídelna strojně chlazeny, ale bez nuceného větrání, šatny nuceně větrány, třída práce I. |
| *) Požadavky na vnitřní prostředí v průmyslových halách se mohou lišit zcela zásadně, v podstatě v celém spektru možností instalovaných technických systémů. Např. pro sklady obchodních řetězců je hala rozdělena do mnoha strojně chlazených sekcí s požadavky na teploty od mrazíren −15 °C přes chladírny 0–2 °C po prostory s požadavkem na pouze na temperování na 10 °C bez strojního chlazení. Stejně rozdílné mohou být požadavky na dodávku čerstvého vzduchu příp. odtahy a filtraci – od skladů s minimálním počtem pracovníků po výrobu se stovkami osob a technologickými odtahy. Pro účely studie byl zvolen nejjednodušší případ – tedy hala bez strojního chlazení a s průměrným počtem pracovníků. | |
Technické systémy budovy:
Technické systémy byly navrženy tak, aby reprezentovaly největší počet realizovaných staveb v ČR i obecně v prostoru Střední Evropy.
| Vytápění | Hala – teplovzdušné plynové agregáty, destratifikační ventilátory Administrativní část – plynová centrální kotelna, teplovodní rozvody s radiátory |
| Chlazení | Hala – bez strojního chlazení Administrativní část – systém přímého chlazení (split nebo multi-split) – chladivový systém |
| Nucené větrání | Hala – nucené větrání s pomocí čerstvovzdušných nástěnných jednotek (přívod) a odtahových ventilátorů ve střešním plášti Administrativní část – přirozené větrání, pouze v části šaten nuceně |
| Úprava vlhkosti vzduchu | Není instalováno |
| Příprava teplé vody | Hala – není uvažováno Administrativní – ohřev v plynové kotelně se zásobníkem – sprchy pro pracovníky výroby |
| Osvětlení | Hala – LED svítidla bez inteligentního řízení, provoz 24/7, návrhová osvětlenost 300 lux Administrativní – Zářivky T5 alt. kompaktní zářivky, návrhová osvětlenost dle jednotlivých prostorů |
Technologie, vnitřní zisky:
V případové studii není uvažováno s vnitřními zisky od technologií, pouze od osob. Tato úvaha vyhovuje skladovému provozu. V případě, že je v hale předpoklad významných instalovaných technologií, je možno uplatnit při energetické výpočtu dva přístupy:
- Vnitřní zisky od technologie uvažovat jako nulové – tento přístup se doporučuje u hodnocení za účelem PENB. Výsledek potřeby energie pro vytápění může být velmi významně nadhodnocen, ale v případě změny provozu se jedná o hodnoty na stranu bezpečnou;
- Vnitřní zisky uvažovat co nejblíže realitě – přístup, který je nutný v případě zpracovávání energetického auditu nebo jakéhokoliv hodnocení s cílem kvantifikace reálných hodnot a přínosů navržených úspor (např. změnou tepelně technických vlastností obálky budovy, instalace rekuperace apod.). Vždy je však nutné pečlivě zohlednit současnost a proměnlivý příkon spotřebičů.
Systémová hranice výpočtu, zónování:
Systémová hranice budovy byla uvažována v souladu s ČSN EN ISO 13789: 2009 a ČSN 73 0540-2: 2011 jako hranice vytápěného (chlazeného) prostoru určená z vnějších rozměrů. Hranici tvoří vnější povrchy konstrukcí, které oddělují posuzovaný vytápěný (chlazený) prostor od venkovního prostředí, přilehlé zeminy nebo sousedních vytápěných zón nebo nevytápěných prostorů.
Výpočet energetické náročnosti budovy vychází z ČSN EN ISO 13790: 2009. V kap. 6 je definován postup pro stanovení výpočtových zón. Pravidla rozdělení budovy do zón se řídí např. následujícími okrajovými podmínkami:
- návrhová vnitřní teplota – budova obsahuje objemově významné prostory, které mají výrazně odlišnou návrhovou vnitřní teplotu ve °C;
- způsob větrání – budova obsahuje objemově významné prostory, které se liší způsobem větrání (intenzita výměny vzduchu, přirozené x nucené větrání);
- způsob vytápění a chlazení – budova obsahuje prostory, které se liší způsobem vytápění a chlazení – odlišné parametry zdroje nebo otopné soustavy, odlišné časové programy vytápění a chlazení;
- ostatní parametry – budova obsahuje prostory, které se liší např. vnitřními (technologickými) zisky, obsazeností osobami případně dalšími okrajovými podmínkami výpočtu;
Pro řešený objekt bylo navrženo následující zónování:
Komentáře k výpočtu a hodnocení energetické náročnosti budovy:
Výpočet byl proveden vícezónově v programu ENERGIE 2016 v měsíčním kroku. Tento výpočet je pro účely tohoto modelu vhodný a vypovídající. Výstupy odpovídají reálně dosahovaným spotřebám podobných objektů. V případě, že by v objektu byly obsaženy významněji chlazené prostory nelze tento nástroj použít.
Velmi důležitou oblastí, která generuje v současné době zcela irelevantní výstupy výpočtů energetických specialistů, je problematika větrání. Při výpočtu není možné vycházet z maximálních jmenovitých průtoků navržených projektantem VZT nebo ještě hůře na tento typ budov používat osvědčenou konstantu 0,5 hod−1. Měla-li by se skutečně vyměnit polovina objemu vzduchu haly jednalo by se obrovské množství vzduchu zpravidla zcela bez důvodu. Při výpočtech je nutné zohledňovat předpokládané provozování objektu, časový profil větrání, možnost proměnlivých otáček ventilátorů apod. V současné době však toto modelování většina software neumožnuje, proto jsou často výstupy PENB v oblasti vytápění i desetinásobně nahodnocené oproti reálným spotřebám objektů.
V hodnoceném objektu bylo uvažováno s dávkou čerstvého vzduchu 70 m3/hod na pracovníka v provozu a 50 m3/hod v administrativní části se zohledněním časového profilu potřeby větrání.
Dalším zásadním momentem výpočtu je zahrnutí a hodnocení podlahy u takto rozlehlých objekt. Výpočet je nutné provádět striktně v souladu s ČSN EN ISO 13370, nikoliv s využitím redukčního činitele b. V tomto případě sice tvoří podlahu pouze betonová deska, ale při výpočtu dle uvedené metody je toto kompenzováno velmi nízkým ekvivalentním redukčním činitelem (často méně než 0,05). Podlaha tedy není rozhodující teplosměnnou plochou a její tepelná izolace by byla zcela nákladově neefektivní. Plnění požadavků ČSN 73 0540-2 je potom možné provádět dle metody popsané v kap. 5.2.9 – výpočet s využitím ustáleného měrného toku Hg podle ČSN EN ISO 13370.
Modelované varianty, výsledky hodnocení:
Cílem vytvořených variant bylo demonstrovat vliv aspektů, které byly rozebírány v předchozích částech článku – tedy obálky budovy a plnění požadavků na budovy s téměř nulovou budovu, které budou platné od 1. 1. 2018.
V následujících tabulkách jsou okomentovány jednotlivé modelované varianty:
| POŽADAVKY 2016 – NÁKLADOVĚ OPTIMÁLNÍ ÚROVEŇ |
|---|
| MODEL 1 – POŽADAVKY 2016 – DLE PD HALA 20 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce navrženy v současném standardu, spíše na úrovni považované za příklad dobré praxe. Dle dokumentace HVAC požadavek na vnitřní teplotu v hale 20 °C (vnitřní teplota vytápění i hodnocení pro obálky 18–22 °C). Světlíky haly jsou navrženy v nesouladu s požadavkem ČSN 73 0540-2 s ohledem na současnou praxi a nabídku světlíků na trhu. Při korektním výpočtu světlíků včetně hliníkových rámů je hodnota 1,4 W/m2.K problematicky dosažitelná. Komentář k výsledkům hodnocení: I přesto, že se jedná o zcela běžnou současnou výstavbu, budova nesplňuje požadavky vyhl. 78/2013 Sb. v kritériu obálky budovy jako jednoho ze tří závazných ukazatelů. S ohledem na instalované LED svítidla je dílčí dodané energie pro osvětlení ve třídě B (stejně jako ve všech ostatních modelech). |
| MODEL 2 – POŽADAVKY 2016 – OPTIM HALA 20 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce obálky optimalizovány tak, aby splnily platné požadavky na novostavby (nákladově-optimální úroveň). Teplota haly nastavena na 20 °C. Ostatní okrajové podmínky výpočtu byly ponechány. Komentář k výsledkům hodnocení: Byla ponechána v souladu s dokumentací HVAC vnitřní teplota pro hodnocení obálky haly 20 °C. Pro splnění požadavku na průměrný součinitel prostupu tepla obálkou je nutné navrhnout obvodový plášť, který je na hraně nabízeného sortimentu a zcela mimo současnou praxi. Zvýšení tepelné izolace ve střeše bude spojeno s vyšším zatížením na konstrukci. I když v kritériu obálky budovy budova plní na hraně, ve zbývajících dvou energetických kritériích je ve třídě B. Zde je tedy zřejmé, že kritérium obálky je výrazně přísnější. Autor si troufá tvrdit, že hala s takovými parametry obálky budovy na území ČR dosud postavena nebyla. |
| MODEL 3 – POŽADAVKY 2016 – OPTIM HALA 17 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce obálky optimalizovány tak, aby splnily platné požadavky na novostavby (nákladově-optimální úroveň). Teplota haly nastavena na 17 °C, čímž dochází k částečnému rozporu s požadavky NV č. 361/2007 Sb., které v případě třídy práce IIa požaduje dosahování teplot 18 °C. Ostatní okrajové podmínky výpočtu byly ponechány. Komentář k výsledkům hodnocení: Teplota byla v souladu s ČSN 73 0540-3 (viz část 2 článku) snížena na 17 °C. Toto má za důsledek razantní snížení požadavků na obálku budovy, dochází ke splnění za použití standardní, lehce nadstandardních tlouštěk. Energetická kritéria jsou ve třídě B – častý požadavek investorů. |
| MODEL 4 – POŽADAVKY 2016 – OPTIM HALA 15 °C |
| Komentář k modelu: Použity parametry obálky MODELU 1, ale teplota v hale nastavena na 15 °C (běžná hodnota pro skladování – třída práce IIb – při použití u výroby již sporné). Komentář k výsledkům hodnocení: V případě, že se u MODELU 1 sníží teplota na 15 °C dojde bez dalších úprav ke splnění požadavku na obálku budovy a dokonce i k dosažení třídy B v ostatních kritériích. |
| POŽADAVKY 2018 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU ENERGIE |
|---|
| MODEL 5 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU – DLE PD HALA 20 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce navrženy v současném standardu, spíše na úrovni považované za příklad dobré praxe. Dle dokumentace HVAC požadavek na vnitřní teplotu v hale 20 °C. Komentář k výsledkům hodnocení: Výsledek je stejný jako u MODELU 1 – budova není způsobilá pro povolení stavby, nesplňuje závazné kritérium obálky budovy. I přes zpřísnění referenčních hodnot zůstávají zachovány klasifikační třídy. |
| MODEL 6 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU – OPTIM HALA 20 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce obálky optimalizovány tak, aby splnily platné požadavky platné od 1. 1. 2018. Teplota haly ponechána na 20 °C. Ostatní okrajové podmínky výpočtu byly ponechány. Komentář k výsledkům hodnocení: V případě, že se pokusíme dosáhnout splnění vyhlášky s uvažování vnitřní teploty 20 °C, je nutné s ohledem na jejich významný vliv, zlepšit hodnotu u světlíků haly na U = 1,0 W/m2.K. Tato hodnota je však mimo současnou nabídku na trhu. Ostatní parametry vycházejí z MODELU 2. |
| MODEL 7 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU – OPTIM HALA 17 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce obálky optimalizovány tak, aby splnily platné požadavky platné od 1. 1. 2018. Teplota haly snížena na 17 °C. Ostatní okrajové podmínky výpočtu byly ponechány. Komentář k výsledkům hodnocení: Snížením teploty na 17 °C dochází sice ke zmírnění požadavku, ale stále je nutné zachovat extrémní tloušťku obvodového pláště. |
| MODEL 8 – BUDOVA S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU – OPTIM HALA 15 °C |
| Komentář k modelu: Konstrukce obálky optimalizovány tak, aby splnily platné požadavky platné od 1. 1. 2018. Teplota haly snížena na 15 °C. Ostatní okrajové podmínky výpočtu byly ponechány. Komentář k výsledkům hodnocení: Konstrukce jsou navrženy nadstandardně, ale v rámci současné praxe. Využití hodnoty 15 °C však může být v některých případech již mimo intervaly uvedené v ČSN 73 0540-3. |
Ke stažení (PDF):
PŘEHED MODELOVANÝCH VARIANT – POŽADAVKY 2017 – NÁKLADOVĚ OPTIMÁLNÍ ÚROVEŇ
PŘEHED MODELOVANÝCH VARIANT – POŽADAVKY OD 2018 – TÉMĚŘ NULOVÁ SPOTŘEBA ENERGIE
Závěr
Analýzou bylo prokázáno, že požadavky na průmyslové budovy jsou v současné době nastaveny poměrně problematicky a v praxi nejsou pravděpodobně dodržovány.
Postup snížení vnitřní teploty pro hodnocení obálky je relevantní zejména s ohledem na celý životní cyklus průmyslové budovy, která je již z podstaty navrhována jako variabilní, kdy nelze jednoznačně při návrhu predikovat charakter činnosti ve vnitřním prostředí.
Snížení teploty pro hodnocení obálky (nikoliv reálně dosahované teploty) se může při určitém úhlu pohledu dostávat do rozporu s požadavky na pracoviště dle zatřídění do třídy práce.
K uvedeném, jakož i k celému seriálu článků je možné shrnout závěry:
- Energetická náročnost průmyslových budov je zcela jistě zásadním kritériem pro klienty, kteří si tyto budovy pronajímají nebo staví;
- Navyšování samotných tlouštěk izolace pro splnění požadavků na celkový součinitel prostupu tepla obálkou budovy s téměř nulovou spotřebou energie je však pravděpodobně nákladově neefektivní;
- U velkého množství průmyslových provozů není spotřeba na vytápění zdaleka nejvýznamnější s ohledem na vnitřní zisky od technologie případně jiné účely spotřeby energie;
- Spotřeba energie, resp. náklady na provoz budovy, jsou u kvalitně navržených a optimálně navržených budov pouze zanedbatelným procentem celkových výdajů podnikatele, prioritou vždy zůstává produkt a proces výroby samotný;
- Průmyslové budovy postrádají jeden hlavní důvod celého nízkoenergetického proudu a to zvýšení komfortu v budovách (pasivních domech), kdy zůstává čistě ekonomické hledisko, které při korektních výpočtech selhává.
- Je nutné zcela jistě oddělovat požadavky na standard budovy s téměř nulovou spotřebou energie pro rodinné domy a průmyslové budovy, v současné době jsou požadavky dány jednotně.
Použitá literatura
- ČSN 730540: 1 Tepelná ochrana budov. Část 1: Terminologie, ČNI 2005
- ČSN 730540: 2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky, ČNI 2011
- ČSN 730540: 3 Tepelná ochrana budov. Část 2: Návrhové hodnoty veličin, ČNI 2005
- ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu, ČNI 2005
- ČSN EN ISO 13790: Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ČNI 2009
- Zákon 406/2000 Sb., o hospodaření energií, Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR, 2000;
- Vyhláška 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov, Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR, 2013;
- Zákon č. 309/2006 Sb., kterým se upravují další požadavky bezpečnosti a ochrany zdraví
- Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci
- www.cevre.cz.
Mandatory standard of building design – nearly energy zero starts for larger industrial buildings from 1st January 2018. This will have a major impact, especially in the design of the building envelope. This article analyzes whether the current setting of requirements of this building standard is technically and economically achievable. Analysis is based on typical industrial building.