Problematika energeticky nulových budov – 1. část: Hodnocení a výpočet
© Fotolia.com
Metodika stanovení energeticky neutrálních, respektive energeticky nulových domů se na národních úrovních liší. Zájem o realizaci takových domů neovlivňuje jen metodika, ale i tržní poměry v oblasti přesouvání nadbytku produkce energie z jednoho objektu do druhého. Jde o ekonomicky nevýhodné výkupní ceny při dodávce do sítě. Pokud se stávající poměry v České republice nezmění, bude realizace energeticky nulových domů pro investory nezajímavá a potenciál snížení produkce CO2 nebude využit.
Úvod
Česká republika již několik desítek let vyvíjí postupně tlak na výstavbu nových budov ve smyslu zpřísňujících se požadavků na jejich tepelně technické vlastnosti. V roce 2000 byl vydán zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií [1], který stanovuje požadavky na energetickou náročnost budov, definovanou jako vypočtené množství energie nutné pro pokrytí potřeby energie spojené s užíváním budovy, zejména na vytápění, chlazení, větrání, úpravu vlhkosti vzduchu, přípravu teplé vody a osvětlení. Kromě tepelně technické úrovně stavebních konstrukcí se požaduje také nízká spotřeba energie dodávané do budovy a související neobnovitelné primární energie [2]. Na rozdíl od některých států Evropské unie Česká republika nemá v hodnocení budov požadavek na nízkou produkci emisí CO2 svázanou s provozem budovy [3]. Nastavený trend výstavby provozně stále úspornějších budov má svůj původ v závazcích v rámci strategie Evropské unie, která má vést mimo jiné ke zmírnění změny klimatu. Evropský parlament a Rada Evropské unie vydala v roce 2010 novelu směrnice [4] o energetické náročnosti budov a zavedla termín „budovy s téměř nulovou spotřebou energie“ (nearly zero energy buildings – nZEB), které mají být stavěny po roce 2020. Směrnice je postupnými kroky implementována do legislativních nařízení členských států. Z důvodu časové blízkosti roku 2020 se témata téměř nulových budov dostávají do povědomí širší veřejnosti. U laické veřejnosti nicméně převládá dojem vyvolaný samotným termínem, že po roce 2020 se budou stavět již pouze nějaké „superdomy“ ještě úspornější než domy v tzv. pasivním standardu. Jak již bylo v řadě článků a textů publikováno, není tomu tak na rozdíl od zbytku Evropy [5–7].
Spolu se zavedením standardu téměř nulových budov již dnes na scénu přichází téma ambiciózních energeticky nulových budov (zero energy buildings – ZEB) jakožto další přidanou hodnotou budovy z hlediska energetického standardu. U těchto budov se předpokládá, že spotřeba energie je v celoročním součtu vyrovnaná s produkcí energie a energetická bilance je nulová či dokonce záporná (plusové budovy). Zatímco vágní termín „téměř nula“ mohl být v každém členském státě vyložen různým způsobem a v českém podání znamená „hodně daleko od nuly“, energeticky nulová bilance budovy znamená opravdu vysokou ambici a docela jasné vyjádření, protože nula je prostě nula. I tak k hodnocení energeticky nulových budov existují různé přístupy, z nichž některé budou dále představeny.
Energeticky nulové a plusové budovy
Abychom si přiblížili, co vlastně znamená termín energeticky nulová budova, můžeme začít u informativní přílohy C české normy ČSN 73 0540-2 [8] z roku 2011, kde byl učiněn první oficiální pokus o definici v českém prostředí. Energeticky nulovou budovou se rozumí budova s nulovou energetickou bilancí neobnovitelné primární energie na základě ročního úhrnu, energeticky plusovou budovou je pak budova s bilancí zápornou. Matematicky je zřejmé, že příliš nelze oddělovat schéma hodnocení pro nulovou budovu (bilance = 0) a plusovou budovu (bilance < 0). Podle uvedené normy se hodnotí ve dvou úrovních. Úroveň A zahrnuje spotřebu neobnovitelné primární energie na vytápění, přípravu teplé vody, pomocnou energii pro provoz technických systémů a uživatelskou energii pro provoz elektrických spotřebičů a osvětlení, úroveň B pak zahrnuje pouze vytápění, přípravu teplé vody a pomocnou energii. Tyto dvě úrovně A a B se bohužel rozcházejí s později zavedeným úředním postupem hodnocení energetické náročnosti budov, kdy se hodnotí bilance neobnovitelné primární energie pro vytápění, chlazení, větrání, úpravu vlhkosti vzduchu, přípravu teplé vody a osvětlení. Spotřeba uživatelské elektrické energie pro spotřebiče se do úředního hodnocení domu nepočítá, přestože nakonec významně ovlivňuje energetickou bilanci domu, zvláště pak při využití nestabilních obnovitelných zdrojů elektrické energie.
Do určité míry odlišným přístupem je hodnotící schéma iniciativy německého spolkového ministerstva životního prostředí a stavebnictví Effizienzhaus Plus (EEH+), se kterou spolupracuje UCEEB ČVUT v Praze, jako zatím jediný člen z ČR. Hodnocení obytných budov v rámci Effizienzhaus Plus zahrnuje i uživatelskou energii, tzn. hodnotí veškerou provozní energetickou spotřebu budovy. Při hodnocení energeticky plusového domu se sledují dva požadavky. Kromě záporné roční bilance neobnovitelné primární energie se požaduje i záporná roční bilance celkové energie dodané do budovy, tzn. dům exportuje do nadřazených sítí více energie v jednotlivých energonositelích (elektřina, teplo, paliva), než z nich dohromady odebere [9]. Tím se hodnocení stává do určité míry nezávislým na konverzních faktorech neobnovitelné primární energie, leckdy politicky motivovaných. Dodaná energie (ve smyslu nakupovaná z externích sítí) má oproti potřebě neobnovitelné primární navíc přímou souvislost s reálnými provozními náklady budovy.
Z požadavku na zápornou bilanci dodané energie vyplývá několik zásadních dopadů na navrhování zdrojů energie. Zatímco při požadavku na zápornou bilanci neobnovitelné primární energie může výrazně pomoci instalace zařízení spalujících biomasu s nízkým konverzním faktorem, v případě hodnocení dodané energie spalovací zařízení na biomasu vykazuje, například oproti plynovému kotli, bilanci zpravidla horší kvůli nižší provozní účinnosti kotle na tuhá paliva. Podobně v bilanci dodané energie nepomůže realizace kogeneračního zařízení pro místní výrobu elektrické energie. Kogenerační zařízení nemá celkovou účinnost vyšší než 100 %, a tedy nemůže exportovat více energie, než bylo pro jeho provoz dodáno v palivu. Pro snížení bilance dodané energie mohou proto být použity pouze zdroje energie využívající slunečního záření, energie větru nebo energie okolního prostředí. I zde však lze narazit na řadu problémů.
Některé problémy s hodnocením
V oblasti návrhu nulových či plusových budov nastává problém mezi výpočtovým hodnocením bilanční metodou a reálnou energetickou bilancí budovy. Neobnovitelná primární energie a dodaná energie se v obou uvedených systémech hodnocení stanovuje na základě roční bilance energetických toků. V praktickém výpočtu to znamená, že spotřebu různých druhů energií (energonositelů) v zimním období lze vykompenzovat letní produkcí a exportem obnovitelné energie do nadřazených sítí, nejčastěji elektrické energie z fotovoltaických systémů, bez ohledu na to, zda je taková možnost reálná technicky, legislativně či ekonomicky. V současné době není dodávka do nadřazené elektrické sítě ekonomicky smysluplná, protože výkupní cena elektrické energie dodané do sítě z fotovoltaických systémů se v ČR pohybuje mezi 0,30 a 0,50 Kč/kWh. Nelze proto jednoduše předpokládat, že v praxi bude produkce FV systému opravdu exportována do sítě, a tudíž že není nutné výpočtem řešit, kolik energie z FV systému se skutečně využilo v budově. Roční bilanční metoda hodnocení proto nepostihuje realitu ani z pohledu reálné potřeby dodávky energie ani skutečné ekonomiky provozu. Aby bylo možné realisticky zhodnotit využití produkce obnovitelné energie pro krytí spotřeby v budově zejména v případě nejčastěji uvažovaných FV systémů, je nutné navíc zvolit významně kratší výpočtový krok bilance, než je požadováno v bilancích podle stávající legislativy.
Obr. 1 Bilance FV systému, detailní 365denní profil, léto
Obr. 2 Bilance FV systému, detailní 365denní profil, zima
Jak na délce výpočetního časového kroku závisí přiblížení se realitě, ukazuje příklad z analýzy vlivu časového kroku na výpočet bilance FV systému [11]. Na obr. 1 a obr. 2 je uveden profil elektrického příkonu rodinného domu (spotřebiče, osvětlení) s 5minutovým krokem se znatelnými odběrovými špičkami v porovnání s průběhem elektrického výkonu FV systému pro vybraný letní a zimní den. Profil příkonu použitý ve výpočtu je uměle vytvořený [11], nicméně se snaží postihnout realitu, tzn. pro každý den je odlišný (pracovní dny – víkendy, osvětlení podle venkovního oslunění). Pro uvedený příklad zároveň platí, že roční spotřeba elektrické energie domu je stejná jako roční produkce elektrické energie FV systémem. Z pohledu roční bilance pro dodávku elektrické energie je tedy výpočetně dosaženo bilanční nuly a 100% pokrytí potřeby elektrické energie FV systémem.
V tab. 1 jsou potom porovnány výsledky výpočtu bilance FV systému bez akumulace elektrické energie s různým časovým krokem. Je patrné, že časový krok výrazně ovlivňuje výsledek výpočtu. Čím je časový krok kratší, tím více respektuje nesoučasnost odběru, tím reálnější jsou špičky odběru a produkce elektrické energie a tím více se bilance blíží realitě pokrytí spotřeby budovy FV systémem bez akumulace elektrické energie. Časový krok výpočtu, který je běžný v energetickém hodnocení budov na úrovni měsíční či roční bilance, se zásadně rozchází s realitou. To je potom vidět z bilance provozních nákladů, kdy z výpočtu s časovým krokem 1 rok vyplývají nulové náklady, nicméně reálné náklady nulové nejsou. Analýza zároveň ukazuje, že potřebný krok výpočtu pro vyhodnocení reálných provozních nákladů je alespoň 1 hodina. Řada softwarových nástrojů pro hodnocení budov proto již umožňuje pracovat s časovým krokem 1 hodina právě pro hodnocení FV systémů. S tímto časovým krokem lze také získat klimatické údaje od ČHMÚ pro tzv. referenční klimatické roky (RKR) pro konkrétní lokalitu.
| Časový krok | 5 min | 15 min | 60 min | den | měsíc | rok |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pokrytí [%] | 18 | 19 | 21 | 71 | 78 | 100 |
| Provozní náklady [Kč/rok] | 7 788 | 7 828 | 7 523 | 2 730 | 2 119 | 0 |
Z uvedeného vyplývá, že nakonec většina elektrické energie produkované FV systémem, pokud má být dosaženo nulové bilance energie, musí být exportována do rozvodné sítě.
Omezení ekonomicky motivovaných dodávek obnovitelné elektrické energie do nadřazených sítí proto odporuje samotnému konceptu energeticky plusového domu, který předpokládá energetickou interakci mezi budovami prostřednictvím sítí, kdy část budov produkuje obnovitelnou energii, kterou jiné budovy v rámci ulice, čtvrti či města spotřebovávají na základě dohodnutých pravidel.
Potom je možné dosáhnout u konkrétní budovy nulové roční bilance, sice s nenulovými provozními náklady, nicméně výrazně sníženými v případě rozumné ceny vykupované energie, nastavené výhodně pro všechny zúčastněné.
To je možné například v sousedním Německu, kde se cena výkupu elektrické energie stále pohybuje na úrovni okolo 10 centů (cca 2,6 Kč/kWh) [12] a energeticky nulové budovy se z fáze pilotních a demonstračních staveb začínají dostávat na trh. Naopak, technická řešení v ČR se vlivem dnešní situace s výkupem energie od místních výrobců orientují především na zvýšení využití produkce obnovitelných zdrojů energie v budově bez přetoku do nadřazené sítě. Akumulovat tepelnou a elektrickou energii v letním období a uchovat ji pro použití v zimě a zajistit tak soběstačnost je energeticky velice ztrátové a investičně natolik náročné, že nulové bilance nelze tímto způsobem prakticky dosáhnout.
Problematickým prvkem přenesení systému hodnocení plusových budov iniciativy EEH+ do ČR je také způsob hodnocení celkové dodané energie do budovy. Podle úředního hodnocení budov v souladu s českou vyhláškou č. 78/2013 Sb. [10] se do celkové dodané energie zahrnuje také obnovitelná energie ze solárních kolektorů, fotovoltaických systémů a energie okolního prostředí (obnovitelné teplo přečerpané tepelným čerpadlem), jenž jsou využity v budově. Znamená to tedy, že místní využití obnovitelných zdrojů výpočtově nesnižuje celkovou dodanou energii (neodečítá se). Do celkové dodané energie se nezapočítává pouze ta část energie, která je exportována ve formě elektřiny či tepla mimo budovu. Zastřešující evropská norma EN 15603 umožňuje členským státům jak tuto možnost, tak i daleko logičtější a realitu odrážející možnost, že místně využitá obnovitelná energie prostředí se do dodané energie nezahrne, a naopak se odečítá, jako právě v případě Německa.
Dosažení standardu podle EEH+ v ČR tedy znamená nutnost významného snížení potřeby energie, zvýšení účinnosti technických systémů, ale hlavně exportu místně vyrobené obnovitelné energie mimo budovu. Tím se ale dostáváme zpět k problematice výkupu energie z obnovitelných zdrojů, který je pro energeticky nulové budovy klíčový.
Závěr
Energeticky nulové nebo plusové budovy znamenají další krok ve snižování energetické náročnosti budov, nicméně nelze je brát již jako opatření pro samostatnou budovu, ale v kontextu celého souboru budov, čtvrti nebo části města. Koncept energeticky nulových budov se do budoucna neobejde bez rozumného nastavení pravidel dodávky a výkupu energie prostřednictvím sítí.
V textu byly představeny přístupy k hodnocení energeticky nulových/plusových budov a je zřejmé, že je nutné hodnotit veškerou potřebu energie v budově, včetně domácích spotřebičů (bez ohledu na zavedené zvyklosti úředního hodnocení). Zatímco hodnocení roční bilance neobnovitelné primární energie zohledňuje spíše environmentální dopad, roční bilance dodané energie je navíc směrovaná i k minimalizaci provozních nákladů.
Bylo také naznačeno, že nulová roční bilance nemusí vůbec znamenat nulové provozní náklady a pro jejich stanovení blízké realitě je nutné, zvláště v případě energeticky nulových budov, použít detailnějšího výpočtu s časovým krokem o délce max. 1 hodina. Výpočty s delším časovým krokem mohou vést zvláště při použití systémů s nestabilními obnovitelnými zdroji energie k velice zavádějícím výsledkům. Ve druhé části článku bude provedena analýza zdrojů energie pro dosažení úrovně energeticky nulové budovy pro konkrétní rodinný dům, společně s vyčíslením investičních a provozních nákladů.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Odkazy
- Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů. Parlament České republiky. 2000.
- NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T. Neobnovitelná primární energie. TZB-info [online] 2018. Dostupné z:
https://vytapeni.tzb-info.cz/normy-a-pravni-predpisy-vytapeni/16491-neobnovitelna-primarni-energie. - NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T. Emise CO2 a jejich dopad na hodnocení zdrojů v budovách. TZB-info [online] 2018. Dostupné z: https://vytapeni.tzb-info.cz/provoz-a-udrzba-vytapeni/17112-emise-co2-a-jejich-dopad-na-hodnoceni-zdroju-v-budovach.
- Evropská komise, „Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/ EU ze dne 19. května 2010 o energetické náročnosti“, Úřední věstník Evropské unie, roč. L153/13, 2010.
- ČEJKA, M., ANTONÍN, J. Budovy s téměř nulovou spotřebou – porovnání energetických standardů, TZB-info [online] 2017. Dostupné z:
https://stavba.tzb-info.cz/budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/15181-budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-porovnani-energetickych-standardu. - MATUŠKA, T. Nulové, téměř nulové a plusové budovy v českém právním kontextu, Stavebnictví č. 1–2, 2018.
- ANTONÍN, J. DOBRÁ, Z. Realizace skutečně téměř nulových budov v ČR. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2018, Kroměříž, str. 5–13. Společnost pro techniku prostředí, Praha.
- ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky, ÚNMZ, 2011.
- Strategies for Efficiency Houses Plus. Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB) [online]. Berlín, 2016. Dostupné z:
https://www.bmi.bund.de/SharedDocs/downloads/EN/publikationen/building/efficiency-houses.pdf. - Vyhláška 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov. Ministerstvo průmyslu a obchodu. 2013.
- NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T. Vliv odběrového profilu elektrické energie na bilanci FV systému. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2018, Kroměříž, str. 151–158. Společnost pro techniku prostředí, Praha.
- WIRTH, H. Recent Facts about Photovoltaics in Germany, Fraunhofer ISE, 2018. Dostupné z:
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/en/documents/publications/studies/recent-facts-about-photovoltaics-in-germany.pdf.
The methodology for determining energy-neutral or energy-zero houses is different at national levels. The interest in the realization of such houses is not only influenced by the methodology but also by the market conditions in the area of moving surplus energy production from one object to another. This is an economically disadvantageous purchase price when delivering to the network. If the existing conditions in the Czech Republic are not changed, the implementation of energy-zero houses for investors will not be interesting and the potential for reduction of CO2 production will not be utilized.