Reklama

Administrativní budova OC FENIX jako budova s téměř nulovou spotřebou energie – stavebně-technické řešení

Ing. Miroslav Urban, Ph.D., Ing. Michal Bejček, Ing. Petr Wolf, Ing. Aleš Vodička

Recenzovaný

Tento článek stručně seznamuje s celkovou koncepcí budovy OC FENIX jako celku a současně objasňuje okolnosti splnění požadavků na energetickou náročnost. Na tento úvodní článek budou následně navazovat články věnující se vlastnímu provozu budovy.

Reklama

Stavebněkonstrukční řešení

Realizace stavby budovy byla detailně zachycena pomocí časosběrného videa vč. obrazové dokumentace z realizace vnitřních konstrukcí a technických systémů [6].

Zadání investora pro nastavení tepelnětechnických vlastností obálky budovy bylo určeno optimalizací parametrů obálky budovy s cílem splnění požadavků na budovu s téměř nulovou spotřebou energie. Tento krok byl řešen pomocí zpracování porovnání několika kombinací variantního navrhovaného řešení obálky budovy se základním řešením technických systémů s důrazem na vyčíslení nutného podílu neobnovitelné primární energie k nastavené kvalitě obálky budovy. Vlastní optimalizace byla postavena na modelu s měsíčním krokem výpočtu, který prověřuje 55 různých reálných kombinací tepelnětechnických vlastností obálky budovy – součinitel prostupu tepla U pro okna, stěny, podlahu, střechu. Varianty reprezentují rámcové řešení obálky. Pokud bude obvodová stěna složena z více parametrů, představuje hodnota součinitele prostupu tepla průměrnou hodnotu stanovenou váženým průměrem přes dílčí plochy těchto konstrukcí. Výsledným parametrem stanoveným z dílčích parametrů, je potom průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy U_em, který je také hodnoceným ukazatelem energetické náročnosti budovy. Limitní hodnoty pro ukazatel energetické náročnosti této konkrétní budovy pro U_em jsou pro:

novou budovu po 1. 1. 2015 U_em = 0,37 W/m².K
budovu s téměř nulovou spotřebou energie (nZEB) U_em = 0,33 W/m².K

Podrobně byly prověřovány kombinace parametrů obálky budovy tak, že byla měněna tloušťka tepelné izolace na střeše, podlaze, stěnách v kombinaci s různou kvalitou oken. Tato optimalizace probíhala v přímé vazbě se zaměstnanci STING project s.r.o. tak, aby byl zvolen co nejoptimálnější koncept stavebně-technického řešení. Výběr výsledné varianty byl podřízen typu zasklení, které mělo na finální řešení největší vliv. Vybrána byla kombinace č. 35, základní parametry viz tab. 1.

Konstrukčně stavební řešení budovy představuje prefa-monolitický železobetonový skelet založený na vrtaných pilotách s výplňovým zdivem. Vyzdívky jsou realizovány z vápenopískových cihel VAPIS 175 mm. Fasáda je řešena jako provětrávaná s dřevěným obkladem. Zateplení je provedeno minerální vatou o tloušťce 280 mm, pouze 3. NP je zatepleno kontaktním zateplovacím systémem s EPS o tloušťce 260 mm. Okna jsou použita dřevo hliníková s vícevrstvým rámem z lepeného hranolu z exteriérové strany osazeného hliníkovým opláštěním. V rámu je izolační trojsklo s měkce pokovenou vrstvou. Výplně otvorů jsou osazeny venkovními žaluziemi s automatickým řízením na základě solárního ozáření. Interiér je také vybaven vnitřními žaluziemi, které jsou využívány v zimním období.

Obr. 1 Stavebně-technické řešení budovy a skladby konstrukcí (zdroj: STING project s.r.o.)

Tab. 1 rámcové parametry obálky budovy
	Obvodová stěna	Podlaha	Střecha	Okna		Obálka budovy
Varianta	`U` [W/m².K]	`U` [W/m².K]	`U` [W/m².K]	`U`_w [W/m².K]	`g`_g [–]	`U`_em [W/m².K]
navrhovaná varianta č. 35	0,11	0,24	0,14	0,73	0,63	0,24
ČSN 730540 – doporučené hodnoty	0,2	0,3	0,16	1,2		0,35
ČSN 730540 – pasivní budovy	0,18–0,12	0,22–0,15	0,15–0,1	0,8–0,6		0,28

Technické systémy budovy

Varianty technických systémů nebyly prověřovány, koncepce byla daná. Pouze byla provedena optimalizace FV systému pro budovu, kdy na základě optimalizovaného řešení FV systému byl následně zpracován PENB.

Vytápění budovy je zajištěno kombinací elektrických přímotopných prvků – sálavé stropní panely, stěnové panely, podlahové vytápění. Systém vytápění je ovládán a řízen decentrálně po jednotlivých místnostech, každá místnost má vlastní regulátor a řízení nezávislé na ostatních místnostech. Chlazení vnitřních prostor zajišťují vnitřní jednotky multisplit systému ve vybraných prostorách – kanceláře, zasedací místnost. Zvlášť je zajištěno chlazení přiváděného čerstvého vzduchu do budovy přímo ve vzduchotechnické jednotce pomocí přímého výparníku. Kondenzační jednotky obou systémů jsou umístěny na střeše objektu. Jednotlivé místnosti jsou větrány centrální vzduchotechnickou jednotkou umístěnou v technické místnosti ve 3. NP. Centrální vzduchotechnický systém umožňuje zónovou regulaci po jednotlivých patrech ve vazbě na koncentraci CO₂, případně výše relativní vlhkosti vzduchu. Vzduchotechnická jednotka je osazena přímým výparníkem pro chlazení větracího vzduchu v letním období a elektrickým ohřívačem pro chladné období. V jednotlivých podlažích je přiváděný vzduch distribuován pomocí plochého potrubí v podlaze s vyvedením ke stěnovým vyústkám. Příprava teplé vody je zajištěna lokálně pomocí elektrických zásobníkových ohřívačů teplé vody. Střecha budovy je osazena panely hybridního FV systému. Akumulátory umožní zvýšit podíl využití energie z FV systému pro vlastní spotřebu. Dále mohou být akumulátory využity pro spolupráci s distribuční sítí, případně dalšími budovami areálu. Provoz hybridního FV systému shrnuje samostatný text v rámci seriálu článků o budově [6].

Monitoring vnitřních parametrů a provozní energetické náročnosti budovy

Cílem vlastního měření parametrů budovy je monitorování kvality vnitřního prostředí budovy a provozní energetické náročnosti. Monitorované parametry slouží k vyhodnocení provozních stavů budovy ve vazbě na provoz hybridního FV systému a provozní energetickou náročnosti v kombinaci s vnitřním prostředím budovy.

Obr. 2 Schéma sledování provozních parametrů budovy

Monitoring vnitřního prostředí budovy

V budově jsou umístěné senzory pro sledování kvality vnitřního prostředí. Senzory jsou připojeny přes rozhraní CIB k jednotce TECO, kde jsou ukládána data na SD kartu. Data se přenáší do systému řízení a sběru dat UCEEB ADVANCED BUILDING CONTROL a současně duplikována na portál dálkového monitoringu UCEEB MONITOR.

Tab. 2 – Senzory pro měření kvality vnitřního prostředí
Místnost	`T`_i (0–50 °C), 0,2 K	Rh 0–100 %, ±5 %	CO₂ 0–5000 ppm, 1 ppm	VOC 0–50 ppm, 1 ppm
101 expozice	x	x	x	x
103 kancelář technici	x	x	x	x
104 kuchyňka, šatna	x	x	x
105 WC	x	x	X (v budově není osazeno)
202 kancelář	x	x	x	x
203 kancelář	x	x	x	x
204 kancelář	x	x	x	x
205 Kuchyňka	x	x	x
206 WC	x	x	x
302 technická místnost	x	x	x
303 zasedací místnost	x	x	x	x

Měření provozní energetické náročnosti

Cílem je měření všech dílčích spotřeb elektrické energie v objektu, většina požadavků je zapracována v části MaR z pohledu snímaných parametrů. Je nezbytné, aby tyto parametry a informace byly také zaznamenávány k dalšímu vyhodnocení. Jednotka TECO slouží jako centrální uzel pro výměnu informací instalovaných systémů TZB. Provozní data jsou zaznamenávána v následujících časových krocích:

Časový krok 1 min: suma elektřiny v [kWh] na vstupu, suma elektřiny [kWh] na výstupu,
Příkon ve [W] pro jednotlivé fáze (fáze 1, fáze 2, fáze 3).

Bude měřeno a zaznamenáváno:

Celkový přívod elektřiny do budovy
Vstup měniče HFVE (fotovoltaika + akumulace)

Dále pak dílčí spotřeby a charakteristiky budovy ve výše uvedeném časovém kroku.

Elektřina pro
- ventilátory,
- systém chlazení,
- vytápění,
- vytápění venkovních ploch,
- přípravu teplé vody,
- výtah,
- venkovní jednotku multisplit systému,
- světelnou reklamu, zásuvky ve výstavním prostoru,
- osvětlení,
- zásuvky.
Teplota a průtok studené vody na vstupu do objektu,
Stav venkovních žaluzií (zapnuto/vypnuto),
Přítomnost osob v místnosti,

Prokázání splnění požadavků pro nZEB

Pokud má být podle současné legislativy budova hodnocena v režimu nZEB, musí splňovat požadavky dané národní legislativou [2], [3]. Budovou typu nZEB, se rozumí „budova s velmi nízkou energetickou náročností, jejíž spotřeba energie je ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů“ [2]. Tato slovní definice pojmu nZEB byla pro národní úroveň přejata z evropské směrnice [1]. Praktickou stránku a parametrické vymezení tohoto slovního pojmu řeší [3]. Parametricky je nZEB definována pomocí dvou ukazatelů energetické náročnosti budovy – neobnovitelné primární energie Q_nPE a průměrného součinitele prostupu tepla obálky budovy U_em.

Na základě uvedených požadavků bylo v prvé řadě nutné prověřit splnění požadavků energetické náročnosti a stanovit minimální podíl produkce elektrické energie z FV systému pro přímé využití v budově. Vzhledem k uvedeným předpokladům byly obavy o splnění referenčního požadavku pro neobnovitelnou primární energii Q_nPE,R, kdy v případě bytových objektů, zejména rodinných domů využívajících elektřinu na všechny činnosti, je velmi obtížné splnit požadavky pro Q_nPE,R [7]. V prvních úvahách byly obavy, zdali bude plocha střechy dostatečná pro potřebnou plochu FV systému, aby budova vůbec splňovala požadavky na nZEB z pohledu Q_nPE v případě využití elektřiny jako jediného energonositele [4].

Dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou energie

Tato kapitola je již podrobně popsána ve formě samostatného článku v odborném časopise Vytápění, větrání, instalace [4] a následující text v této kapitole je shrnutím z tohoto článku. S ohledem na prokázání dosažení požadavků na energetickou náročnost budov a požadavků pro nZEB je níže prezentována varianta budovy jak s FV systémem, tak bez FV systému. Administrativní budova disponuje energeticky vztažnou plochou 316 m², z tohoto důvodu se na tuto budovu v případě podání stavebního povolení po 1. 1. 2020 vztahuje požadavek na prokázání splnění požadavků pro nZEB. Podrobněji je v této kapitole řešeno splnění požadavku pro Q_nPE. Pro tento ukazatel energetické náročnosti byly oprávněné obavy vzhledem k využití elektřiny pro veškeré činnosti v budově, tzn. energonositele z vysokým konverzním faktorem pro neobnovitelnou primární energii.

Grafy pro variantní řešení objektu bez FV systému (obr. 3) a s navrženým FV systémem (obr. 4) ukazují:

Pokud budou tepelnětechnické vlastnosti obálky budovy nastaveny na minimální požadovanou úroveň pro nZEB standard, tzn. U_em = 0,33 W/m².K, budova pro obě varianty s FV systémem i bez FV systému splňuje požadavek pro nZEB i z pohledu neobnovitelné primární energie. Řešení technických systémů objektu využívající elektřinu jako hlavní energonositel splní i při nejhorší možné obálce budovy požadavek na neobnovitelnou primární energii ať pro variantu bez FV systému, nebo s FV systémem.

Obr. 3 Průběh neobnovitelné primární energie Q_nPE v závislosti na tepelnětechnických vlastnostech obálky budovy bez FV systému

Obr. 4 Průběh neobnovitelné primární energie Q_nPE v závislosti na tepelnětechnických vlastnostech obálky budovy včetně FV systému

Z výše uvedených grafů je patrné, že takto koncipovaný objekt i bez systémů využívající OZE splní požadavky na budovu s téměř nulovou spotřebou energie, a to i z pohledu ukazatele energetické náročnosti, kterou je neobnovitelná primární energie. Tato skutečnost je v nepoměru s požadavky na energetické náročnosti pro bytové stavby, kdy např. rodinný dům spotřebovávající čistě elektřinu není schopen za podobných podmínek splnit výše uvedené požadavky z pohledu neobnovitelné primární energie. Důvody, proč tato budova administrativního charakteru splňuje požadavky na neobnovitelnou primární energii pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie bez větších problémů ve srovnání např. podobně koncipovanými s rodinnými domy, jsou následující:

Snížení požadavku pro neobnovitelnou primární energii – je pro administrativní budovy zpřísněn pouze o 10 %, pro rodinné domy však o 25 %.
Pro dílčí energie pro vytápění a přípravu TV je nastaven referenční konverzní faktor f_nPE,R = 1,1 a pro chlazení a ostatní spotřeby je konverzní faktor f_nPE,R = 3,0 podle [3]. Dílčí dodaná energie na vytápění díky nadstandardně kvalitním vlastnostem obálky budovy je však minimalizována a díky charakteru budovy je také minimální potřeba teplé vody. Toto jsou dílčí dodané energie, které jsou zatíženy největším rozdílem mezi konverzními faktory f_nPE pro hodnocenou a referenční budovou. Naopak potřeba energie na chlazení a ostatní potřeby energie dominují a mají totožný konverzní faktor f_nPE jako referenční požadavek. Z tohoto důvodu nedochází k zásadnímu rozdílu mezi neobnovitelnou primární energií pro hodnocenou a referenční budovu, jaký se např. objevuje u bytových staveb.
Budova disponuje strojním chlazením, kdy dodaná energie pro chlazení převyšuje dodanou energii na vytápění. Díky tomuto faktu, lepší účinnosti zvoleného zařízení, než referenční účinnost pro daný systém uvedená ve vyhlášce a konverznímu faktoru referenční budovy pro činnost chlazení f_nPE,R = 3,0, bude administrativní budova se strojním chlazením hodnocena z pohledu požadavku na neobnovitelnou primární energii paradoxně méně přísně, než budova bez strojního chlazení. Pokud by budova nedisponovala strojním chlazením, byly by požadavky na Q_nPE paradoxně podstatně přísnější, byť by budova byla v absolutních číslech byla úspornější a s ohledem na životní prostředí a absenci kompresorového okruhu s chladivem ve smyslu regulovaných látek, nebo F-plynů, také šetrnější.

Pro uvedený objekt jsou nastaveny minimální legislativní požadavky, tyto požadavky představují minimální standard pro novostavby, současně se požadavky na tento minimální standard v čase zpřísňují. Minimální legislativní požadavky pro jednotlivé ukazatele EN reprezentuje následující tab 3. Budova je hodnocena v režimu nových budov po 1. 1. 2015, nicméně pokud by budova byla hodnocena v režimu budovy s téměř nulovou spotřebou, splní tyto požadavky také. Požadavky pro budovu s téměř nulovou spotřebou energii (dále jen „nZEB“) reprezentuje tab. 3. Pro předmětnou budovu budou uvedené požadavky platné od 1. 1. 2020.

Tab. 3 Minimální legislativní požadavky pro ukazatele energetické náročnosti nových budov po 1. 1. 2015
Ukazatel energetické náročnosti	Požadavky na ENB pro současnou novostavbu	Požadavky na ENB pro nZEB	Hodnocená budova	Závěr
`U`_em,R	0,37	0,33	0,24	Požadavky splněny
`Q`_fuel,R [kWh]	28 117	26 419	13 216	Požadavky splněny
`Q`_nPE,R [kWh]	59 414	56 923	19 329	Požadavky splněny

Závěr

Prezentovaný realizovaný koncept budovy splňuje požadavky na nZEB dle platných právních předpisů v České republice bez ohledu na existenci systémů využívajících OZE a za předpokladu využití jediného energonositele v podobě elektřiny. Legislativní požadavky na nZEB v tomto případě přímo nenaplňují technický význam definice pojmu nZEB. Nicméně v tomto případě je konečným výsledkem s ohledem na plánované využití budovy budova, která by se technicky a zejména provozně významu uvedeného pojmu nZEB mohla více než přibližovat. Budova je v provozu od července 2016, v následujících navazujících článcích bude představeno provozní vyhodnocení budovy jako celku a jednotlivých dílčích spotřeb energie.

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov (přepracování)
Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů
Vyhláška č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov
Urban, M.; Bejček, M.; Wolf, P.; Vodička, A. Koncept administrativní budovy jako budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Vytápění, větrání, instalace. 2017, 26(1), 30–36. ISSN 1210-1389.
Kabele, K.; Urban, M. Pohled na budovy s téměř nulovou spotřebou energie v kontextu současných legislativních požadavků v ČR TZB-info. 2017, 19.(1), ISSN 1801-4399.
Topinfo s.r.o. Stavba budovy pilotního projektu v Jeseníku pokračuje [online]. ©2016 [cit. 2018-07-11]. Dostupné z: https://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/13991-stavba-budovy-pilotniho-projektu-v-jeseniku-pokracuje
WOLF, Petr, et al. Chytrá energetika pro administrativní budovu. In: Alternativní zdroje energie 2016. Kroměříž: Společnost pro techniku prostředí, 2016. s. 205–2012. ISBN 978-80-02-02666-2
Kabele, K.; Urban, M. Co musí splnit rodinný dům vytápěný elektřinou a jaký vliv by měla změna konverzního faktoru primární energie? TZB-info. 2018, 20(5), ISSN 1801-4399.

English Synopsis

The OC FENIX office building as an nearly zero energy bilding (nZEB) a state-of-the-art technical solution

This article briefly introduces the overall concept of the OC FENIX building as a whole and at the same time clarifies the circumstances of meeting the energy performance requirements. This article will be followed by articles dedicated to the building's own operation.