Co musí splnit rodinný dům vytápěný elektřinou a jaký vliv by měla změna konverzního faktoru primární energie?
© Fotolia.com
Rodinné domy s koncepcí elektrického vytápění pomocí elektrokotle, nebo elektrického přímotopného systému a přípravou teplé vody v elektřinou ohřívaném zásobníku nesplňují požadavek na energetickou náročnost budov. Autoři analyzují velikost konverzního faktoru elektrické energie a dalších parametrů, které by splnění požadavku na ENB zajistily.
Jak bylo uvedeno v článku „Vliv koncepce technických systémů na energetické náročnosti rodinného domu“ (https://stavba.tzb-info.cz/budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/16155-vliv-koncepce-technickych-systemu-na-energeticke-narocnosti-rodinneho-domu), rodinné domy s koncepcí elektrického vytápění pomocí elektrokotle, nebo přímotopného systému a přípravou teplé vody v elektricky ohřívaném zásobníku TV nesplňují požadavek na energetickou náročnost budov z pohledu neobnovitelné primární energie a následně také nebudou splňovat budoucí požadavek na nZEB. Takto koncipované rodinné domy se neobejdou bez doplňkového zdroje tepla spalujícího paliva s nízkým konverzním faktorem pro neobnovitelnou primární energii, nebo bez systémů využívající obnovitelné energie (solární energii). Obecně je rodinný dům s koncepcí elektřiny jako hlavního energonositele pro vytápění a přípravu TV nevyhovující díky současným konverzním faktorům pro vytápění a přípravu TV pro referenční a hodnocenou budovu, viz Tab. 1.
| Typ činnosti | Konverzní faktor nPE pro referenční budovu [–] | Konverzní faktor nPE pro hodnocenou budovu [–] |
|---|---|---|
| Vytápění | 1,1 | 3 |
| Příprava teplé vody | 1,1 | 3 |
| Větrání (provoz VZT jednotky) | 3 | 3 |
| Osvětlení | 3 | 3 |
Pokud se v příkladu tohoto rodinného domu zaměříme na dílčí dodané energie na jednotlivé činnosti, které vstupují do výpočtu energetické náročnosti, pak i v případě, že tento dům bude vybaven řízeným větráním, převažuje dílčí dodaná energie na vytápění nad dílčí dodanou energií na přípravu TV a ostatními potřebami (pozn. není zahrnuta potřeba elektrické energie na provoz domácnosti – spotřebiče, vaření), viz Obr. 1.
Obr. 1 Graf průběhu dílčích dodaných energií
Minimální podíl energie z OZE, nebo biomasy
V případě vyhovující koncepce rodinného domu (dále jen RD) provozovaného na elektřinu je nutné pokrýt maximální podíl celkové dodané energie pomocí systémů využívající OZE, případně biomasou. Doplňkové zdroje mají v rámci této případové studie výpočtově a provozně reálně nastavená následující omezení:
- Termický solární systém pro přípravu teplé vody má využitelné solární pokrytí cca 60–70 %, tzn. že kompenzuje pouze 70 % z 3675 kWh/rok pro přípravu TV, v tomto konkrétním případě výpočtově 2296 kWh/rok.
- Fotovoltaický systém pro RD lze smysluplně koncipovat pouze s ohledem na využití elektřiny v objektu v kombinaci s bateriovým úložištěm. Pak lze uvažovat roční přímé využití získané energie z OZE v objektu mezi 3000 kWh až 5500 kWh/rok v závislosti na velikosti FV systému s bateriovým úložištěm. V rámci této případové studie se uvažuje přímé roční využití 3200 kWh z FV systému.
- Pro doplňkový zdroj v podobě krbové vložky je důležitým parametrem podíl na pokrytí potřeby energie na vytápění v tomto RD. Procentuální pokrytí závisí na způsobu užívání a potřebě energie na vytápění. V principu se tento podíl může technicky a realisticky pohybovat mezi 15–40 %.
Následující graf ukazuje nutný procentuelní podíl produkce energie z OZE, nebo minimální možný podíl krbové vložky na pokrytí potřeby energie na vytápění v závilosti na obálce budovy ve smyslu splnění legislativních požadavků současných a pro nZEB. Obecně lze říci, že nynější novostavba s elektrickým přímotopným vytápěním musí mít minimálně podíl 20 % energie z OZE, nebo krbová vložka musí pokrývat minimálně 33 % potřeby energie na vytápění. V případě, že budova bude posuzována v režimu nZEB (bude povinné od 1. 1. 2020), musí tento RD s obálkou v kvalitě nZEB využívat minimálně 30 % energie z OZE, nebo pokrývat potřebu energie na vytápění ze 49 % z krbové vložky, podrobně viz Obr. 2 a Tab. 2.
Obr. 2 Nutný podíl OZE k celkové dodané energii, nebo nutný podíl pokrytí potřeby energie na vytápění krbovou vložkou
| Minimální podíl OZE pro nZEB | Minimální podíl OZE pro nové budovy do 31. 12. 2019 | Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nZEB | Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 31. 12. 2019 | |
|---|---|---|---|---|
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD po 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019 | – | 20 % | – | 33 % |
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD od 1. 1. 2020 | 30 % | – | 49 % | – |
Pokud se v textu zaměříme na potřebný procentuální podíl OZE, pak s ohledem na možnosti fototermického a fotovoltaického solárního systému uvádí skutečné procentuální pokrytí Tab. 3. V principu legislativní požadavek dokáže splnit hybridní fotovoltaický solární systém. Samotný fototermický solární systém nedokáže dosáhnout vzhledem k omezení, které vyplývá jen z potřeby energie pro přípravu TV v letním období, dosáhnout požadovaného pokrytí.
| Systém | Solární fototermický systém (produkce energie 2296 kWh/rok) | Solární hybridní fotovoltaický systém 5,1 kWp (produkce energie 5126 kWh/rok) | ||
|---|---|---|---|---|
| skutečný podíl OZE pro nZEB | skutečný podíl OZE pro nové budovy do 31. 12. 2019 | skutečný podíl OZE pro nZEB | skutečný podíl OZE pro nové budovy do 31. 12. 2019 | |
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD po 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019 | – | 16 % | – | 35 % |
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD od 1. 1. 2020 | 17 % | – | 38 % | – |
Minimální podíl lokálního zdroje tepla na biomasu
Z výše uvedeného vyplývá, že v případě elektricky vytápěných domů se sníženou spotřebou energie je doplňkový zdroj tepla na biomasu nedílnou součástí technického systému. Minimální podíl na potřebě energie na vytápění ukazuje Obr. 2, resp. Tab. 2. Je patrné, že minimální podíl 49 % pro nZEB je podíl, který je technicky prakticky nereálný. Tak vysoký podíl prakticky odpovídá provozování „kamen“ na biomasu, které vytápí celý RD a nejednalo by se o tzv. typické řešení, byť provozně není vyloučené.
V běžných podmínkách provozování RD je v tomto případě nutné, aby RD s elektrickým vytápěním a krbovou vložkou měl navíc minimálně fototermický systém. V případě fototermického systému, lze pak zvýšit podíl tepla produkovaného krbovou vložkou jejím zapojením do solárního zásobníku, případně následně i do teplovodní otopné soustavy v případě jejího vybavení elektrokotlem.
Obr. 3 Podíl krbové vložky potřebě energie na vytápění v závislosti na obálce budov
| Systém | Elektrické vytápění | Elektrické vytápění + fototermický systém | ||
|---|---|---|---|---|
| Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nZEB | Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 31. 12. 2019 | Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nZEB | Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 31. 12. 2019 | |
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD po 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019 | – | 33 % | – | 35 % |
| Požadavek na kvalitu obálky nového RD od 1. 1. 2020 (nZEB) | 49 % | – | 40 % | – |
Obr. 3 ukazuje, že v případě kvalitnější obálky RD, než je legislativně definované pro nZEB, lze bezproblémů splnit legislativní požadavky pro nZEB s podílem 20–30 % v kombinaci s FTE systémem.
Varianty výše konverzního faktoru
V poslední době se hovoří o možnosti změny konverzního faktoru pro neobnovitelnou primární energii (nPEF) pro elektřinu na úrovni ČR. Jak by hodnocení energetické náročnosti RD dopadlo, pokud by byl konverzní faktor pro elektřinu změněn, ukazují níže uvedené grafy. Grafy vyjadřují závislost hodnoceni ENB na konverzním faktoru neobnovitelné primární energie pro elektřinu v případech pro:
- přímotopný elektrický zdroj tepla pro vytápění a přípravu TV
- tepelné čerpadlo pro vytápění a přípravu TV
Příklad vychází z aktuálně platných požadavků kladených na budovy od 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019, a požadavků na jeden konkrétní RD v režimu budovy s téměř nulovou spotřebou energie, tzn. požadavků účinných od 1. 1. 2020. V grafech je reflektována pouze neobnovitelná primární energie QnPE, výše faktoru nPEF nemá vliv na celkovou dodanou energii do budovy Qfuel. Současně je v grafech vyjádřen podíl energie z OZE, která je potřebná pro splnění definovaných požadavků v závislosti na obálce budovy a nPEF. Přímotopný elektrický zdroj tepla nyní vyžaduje minimálně cca 20 % energie z OZE, nebo z biomasy. V případě využití tepelných čerpadel nebude další alternativní zdroj tepla vyžadován.
Tepelné čerpadlo pro vytápění a přípravu TV
Z grafu na Obr. 4 pro tepelné čerpadlo zajištující vytápění a přípravu TV je patrné že:
- jak současné, tak budoucí požadavky jsou pro tuto variantu splnitelné,
- výše konverzního faktoru díky většímu vlivu energie okolního prostředí nemá zásadní vliv na změnu hodnocení neobnovitelné primární energie nPE.
Obr. 4 Graf průběhu QnPE v závislosti na obálce budovy a výši nPEF pro tepelné čerpadlo
Z následujících grafů je patrné, o kolik procent z pohledu QnPE splňuje varianta s tepelným čerpadlem s rozdílnými hodnotami faktoru nPEF legislativní požadavek na QnPE. Toto je sekundárně vyjádřeno záporným procentuálním podílem, který vyjadřuje rezervu vůči požadavku. Tato se pochopitelně se zlepšující kvalitou obálky budovy zvětšuje.
Obr. 5 Graf průběhu nutného podílu energie z OZE v závislosti na obálce budovy a výši faktoru nPEF pro tepelné čerpadlo v období od 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019. Záporné hodnoty představují rezervu vůči požadavku.
Obr. 6 Graf průběhu nutného podílu energie z OZE v závislosti na obálce budovy a výši nPEF pro tepelné čerpadlo v období od 1. 1. 2020 (nZEB). Záporné hodnoty představují rezervu vůči požadavku.
Elektrický přímotopný zdroj tepla pro vytápění a přípravu TV
Z grafu na Obr. 7 pro elektrický přímotopný zdroj tepla pro vytápění a přípravu TV je patrné že:
- ani při nejlepší možné obálce na úrovni pasivního domu nejsou požadavky na ENB splnitelné.
- V případě snížení faktoru nPEF jsou aktuální požadavky na novostavby splnitelné.
- Požadavky na nZEB jsou při zachování současné výše faktoru nPEF absolutně nesplnitelné, v případě ponížení nPEF bude nezbytné také uvažovat s využitím energie z OZE, nicméně v menší míře jako doposud.
Obr. 7 Graf průběhu QnPE v závislosti na obálce budovy a výši nPEF pro elektrický přímotopný zdroj tepla
Následující graf odpovídající požadavkům na novostavby v rozmezí od 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019, ukazuje že:
- při zachování nynějšího požadavku je vyžadováno minimálně 20 % energie z OZE,
- v případě snížení faktoru nPEF se podíly energie z OZE snižují.
Obr. 8 Graf průběhu nutného podílu energie z OZE v závislosti na obálce budovy a výši nPEF pro přímotopný elektrický zdroj tepla v období od 1. 1. 2015 do 31. 12. 2019
V případě přísnějších požadavků od 1. 1. 2020 pro nZEB je:
- Celkový nutný podíl z OZE minimálně 30 %.
- V případě snížení faktoru nPEF = 2,2 pak minimálně 10 %.
- Rozdíl podílu OZE mezi nPEF = 3,0 a nPEF = 2,2 je 20 %.
Obr. 9 Graf průběhu nutného podílu energie z OZE v závislosti na obálce budovy a výši nPEF pro přímotopný elektrický zdroj tepla v období od 1. 1. 2020 (nZEB)
Závěr
Obecně lze konstatovat, že nynější novostavby v případě elektrického vytápění mohou splnit požadavky na neobnovitelnou primární energii pouze v součinnosti s lokálním zdrojem tepla na biomasu s „rozumným“ pokrytím části vypočtené spotřeby energie na vytápění a přípravy teplé vody. Pokud současná podoba požadavků na ENB bude stále platná i po 1. 1. 2020, bude nutné, aby elektricky vytápěný rodinný dům měl systém využívající energii z OZE, a to nejen kvůli požadavku zákona č. 406/2000 Sb. ve smyslu definice nZEB, ale také kvůli nutnosti splnit požadavek na neobnovitelnou primární energii podle vyhlášky č. 78/2013 Sb.
Poznámka
Je třeba podotknout, že se jednalo o případovou studii pro jeden konkrétní rodinný dům. Výsledky lze paušalizovat, nicméně s ohledem na jich možné rozpětí způsobené odlišným typem objektu, koncepcí modelu a jeho okrajových podmínek. Rodinné domy, které využívají elektřinu pro vytápění a přípravu TV, budou muset mít vždy doplňkový zdroj na biomasu v kombinaci se fototermickým, nebo fotovoltaickým solárním systémem.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Literatura
- Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů.
- Vyhláška č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov.
- Kabele, K., Urban, M., Přístup k budovám s téměř nulovou spotřebou energie In: Konference Vytápění Třeboň 2017. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017. ISBN 978-80-02-02712-6.
- Kabele, K., Urban, M., Vliv koncepce technických systémů na energetické náročnosti rodinného domu, online, dostupné z https://stavba.tzb-info.cz/budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/16155-vliv-koncepce-technickych-systemu-na-energeticke-narocnosti-rodinneho-domu.
Seznam označení
| Qfuel | celková dodaná energie | [ kWh] |
| QnPE | neobnovitelná primární energie | [ kWh] |
| Uem | průměrný součinitel prostupu tepla | [W/m2.K] |
| nZEB | budova s téměř nulovou spotřebou energie | |
| nPE | neobnovitelná primární energie | |
| OZE | obnovitelný zdroj energie | |
| nPEF | konverzní faktor neobnovitelné primární energie |
Family houses with the concept of electric heating by means of an electric boiler or electric direct heating system and the preparation of hot water in an electrically heated tank do not meet the requirement for the energy performance of buildings. The authors analyze the magnitude of the conversion factor and other parameters that would meet ENB requirements.