Energetická náročnost rodinných domů vytápěných elektrickými sálavými panely – 2. část
Část 2 – hodnocení kvality vnitřního prostředí a energetická náročnost
Ilustrační obrázek – stropní sálavý panel (Zdroj: Ecora)
V první části byly popsány reálné průběhy vytápění a spotřeby elektřiny sálavými panely dvou rodinných domů s odlišným využíváním. V druhé části jsou rodinné domy porovnány z pohledu parametrů jejich vnitřního prostředí a ve vazbě na měřenou spotřebu energie a jejich energetickou náročnost.
1 Úvod
V prvním díle byla podrobně řešena naměřená spotřeba energie na vytápění. Článek se ve druhé navazující části věnuje vyhodnocení provozu rodinných domů s elektrickým sálavým vytápěním řešeným stropními sálavými panely ve smyslu hodnocení kvality vnitřního prostředí. Dále je spotřebovaná energie na vytápění porovnána s vypočtenou hodnotou z průkazu energetické náročnosti budovy dle vyhlášky č. 264/2020 Sb.
2 Predikce a porovnání spotřeby energie na vytápění
Z naměřených hodnot a na základě klimatických dat pro danou oblast lze stanovit odhad spotřeby energie na vytápění za celý rok. Norma ČSN 730331-1 stanovuje pro Českou republiku sadu klimatických dat, na základě kterých, je prováděn výpočet energetické náročnosti budov. Z naměřených dat, lze dovodit polynom vyjadřující závislost průměrné denní spotřeby energie na vytápění na venkovní teplotě pro konkrétní RD. Pomocí tohoto polynomu a průměrných měsíčních teplot uvedených v ČSN 730331-1 bude dopočtena přibližná předpokládaná spotřeba energie na vytápění pro daný RD. Je třeba zdůraznit, že tato rovnice řeší pouze závislost venkovní teploty vzduchu na spotřebě energie na vytápění. Nezahrnuje další vlivy, které spotřebu energie ovlivňují, jako např. sluneční záření, vnitřní tepelné zisky od osob a spotřebičů. Tyto vlivy jsou také proměnlivé, v tomto případě jsou zjednodušeně uvažovány jako konstantní, kdy dominantní vliv má venkovní výpočtová teplota. U budovy s výraznými prosklenými plochami orientovanými od východu přes jih až západ (zejména tedy jižní a západní orientace) poměrně zřetelná závislost z grafu viz níže, platit nebude.
Obr. 1 Závislost průměrné denní měrné spotřeby energie na vytápění na venkovní teplotě
Pro objekt RD Babice a RD Doksy byla na základě specifických polynomů byla stanovena celková roční spotřeba energie na vytápění. Následně bylo provedeno porovnání předpokládané spotřeby energie na vytápění vycházející z naměřených hodnot a vypočtené spotřeby energie, která je uvedena v energetickém certifikátu (PENB).
2.1 Rodinný dům v Babicích
Rozdíl vypočtené spotřeby energie z průkazu energetické náročnosti budov a na základě měřených hodnot je stanoven pro objekt RD Babice v následující tabulce.
| Roční spotřeba energie na vytápění [kWh/rok] | Měrná spotřeba energie na vytápění [kWh/m2.rok] | Rozdíl | |
|---|---|---|---|
| PENB (výpočtový předpoklad I = 0,3 1/h) | 13 730 | 106,2 | 158 % |
| PENB (výpočtový předpoklad I = 0,1 1/h) | 10 144 | 78,4 | 117 % |
| Reálná spotřeba | 8690 | 67,2 | 100 % |
Z tabulky je patrné, že vypočtená spotřeba energie na vytápění z PENB je o 60 % vyšší, nežli tomu je oproti reálně spotřebované hodnotě. Rozdíl je přisuzován zejména tomu, že PENB je zpracováván za definovaných okrajových podmínek, které v případě obytných staveb nelze měnit. Nicméně v rámci měřených hodnot bylo monitorováno také vnitřní prostředí a jak vyplývá z dat měření, intenzita větrání nedosahuje požadované a výpočtem předpokládané hodnoty 0,3 h−1. V řešené budově se reálně pohybuje hodnota průměrně cca 0,1 h−1 a nižší. Tento fakt výrazně ovlivňuje vypočtenou spotřebu energie z hlediska předpokládané tepelného toku větráním, který je ve skutečnosti menší než při výpočtovém předpokladu. Pokud bude ve výpočetním modelu PENB uvažována tato hodnota, výpočetní předpoklad se již blíží reálnému měření a odchylka 17 % představuje velmi dobrou shodu vzhledem k mnoha okrajovým podmínkám a nejistotám.
2.2 Rodinný dům v Doksech
Rozdíl vypočtené spotřeby energie z průkazu energetické náročnosti budov a na základě měřených hodnot je stanoven pro objekt RD Doksy v následující tabulce.
| Roční spotřeba energie na vytápění [kWh/rok] | Měrná spotřeba energie na vytápění [kWh/m2.rok] | Vztažná plocha [m2] | Rozdíl | |
|---|---|---|---|---|
| PENB | 9971 | 59,0 | 169 | 161 % |
| Reálná spotřeba | 6205 | 51,7 | 120 | 100 % |
Jak bylo uvedeno výše, PENB je zpracováván za definovaných okrajových podmínek, které v případě obytných staveb nelze měnit. V tomto případě je vypočtená spotřeba z reálného měření výrazně ovlivněna neužíváním velké obytné místnosti ve 2. NP a současně také důsledné využívání útlumů pro různé místnosti, což je přednost tohoto způsobu vytápění. PENB naopak předpokládá kontinuální vytápění na žádanou teplotu pro celou budovu po celou výpočtovou dobu.
Rozdíl ve spotřebovaných energiích je v tomto případě zejména způsoben užíváním objektu, kdy systém vytápění umožňuje individualizaci žádané teploty pro jednotlivé místnosti a zároveň v čase. Oproti výpočtovému předpokladu z PENB je tedy reálná spotřeba o cca 60 % nižší.
2.3 Porovnání objektů – měřená spotřeba energie na vytápění
Souhrnné výsledky ukazují, že:
- především nastavení časového provozu objektu přináší logicky nižší spotřebu energie. Nicméně je třeba poznamenat, že naměřená vnitřní teplota v některých prostorách je pod minimální požadovanou hodnotou 18 °C.
- RD Babice, nebo minimálně některé místnosti (RD Doksy) nemají hygienickou výměnu vzduchu, resp. nedosahují výpočtového předpokladu z energetického hodnocení. Výpočtový předpoklad má z tohoto důvodu o cca 3–4 MWh vyšší tepelný tok větráním, než je reálně.
- RD Doksy má jako řadovka menší ochlazovanou obálku budovy a její měrná spotřeba na vytápění vztažená k vytápěné podlahové ploše činí 51,7 kWh/(m2.rok).
- RD Babice jako zástupce typického bungalovu má měrnou spotřebu energie na vytápění vztaženou k vytápěné podlahové ploše ve výši 67,2 kWh/(m2.rok).
| Objekt |  |  |
| RD Babice | RD Doksy | |
| Naměřené hodnoty | ||
| Vytápěná plocha měřených okruhů | 129,3 m2 | 120 m2 |
| Instalovaný příkon | 7500 W | 6200 W |
| Celková spotřeba elektřiny na vytápění za únor–květen 2021 | 3 378 kWh 26,1 kWh/m2 | 2 390 kWh 19,9 kWh/m2 |
| Měrná denní spotřeba energie stanovená z měření | ||
| Únor 2021 | 0,269 kWh/m2/den | 0,218 kWh/m2/den |
| Březen 2021 | 0,271 kWh/m2/den | 0,209 kWh/m2/den |
| Duben 2021 | 0,220 kWh/m2/den | 0,157 kWh/m2/den |
| Květen 2021 | 0,116 kWh/m2/den | 0,085 kWh/m2/den |
| Předpokládaná spotřeba elektřiny na vytápění za otopné období | ||
| Roční spotřeba energie na vytápění z měření | 8 690 kWh 67,2 kWh/m2.rok | 6 205 kWh 51,7 kWh/m2.rok |
| Vypočtená spotřeba elektřiny na vytápění za otopné období (PENB) | 13 370 kWh | 9 971 kWh |
| Rozdíl vypočtené spotřeby (PENB) a reálné spotřeby | 5 040 kWh 37 % | 3 766 kWh 38 % |
| Poznámka | Nepřerušované vytápění, všechny místnosti vytápěny na žádanou teplotu. | Každá místnost má vlastní časový rozvrh žádané teploty pro vytápění, nevyužívaná místnost nevytápěna. |
3 Kvalita vnitřního prostředí
Měření vnitřního prostředí bylo realizováno prostřednictvím IAQ senzorů vyrobených ve výzkumném centru ČVUT UCEEB. Senzory vnitřního prostředí jsou napojeny na monitoring a sběr dat podobně jako měřicí systém. Naměřené parametry vnitřního prostředí jsou vyhodnocovány na základě „Metodiky hodnocení vnitřního prostředí – VISIEQ“. Tato metodika umožňuje stanovit a definovat kategorizaci hlavních monitorovaných parametrů vnitřního prostředí. Parametry vnitřního prostředí (teplota vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, koncentrace CO2) jsou vyhodnoceny z dat zaznamenaných v minutovém kroku pomocí metody VISIEQ. Hodnocení vnitřního prostředí a metoda hodnocení vnitřního prostředí VISIEQ vychází z metodiky hodnocení vnitřního prostředí, která je připravována v rámci TAČR, projektu Centra kompetence TE02000077 – Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj. Vyhodnocení parametrů je prováděno pro každou měřenou místnost po jednotlivých měsících, kdy pro každý monitorovaný parametr jsou stanoveny kategorie vnitřního prostředí, viz Tab. 3.
| KATEGORIE | Popis vhodného použití kategorií |
|---|---|
| I | Vysoká úroveň očekávání; prostory s velmi citlivými osobami s křehkým zdravím, se zvláštními požadavky |
| II | Běžná úroveň očekávání – pro nové budovy a rekonstrukce |
| III | Přijatelné, střední úroveň očekávání – pro stávající budovy |
| IV | Hodnoty mimo kritéria pro výše uvedené kategorie – přípustné pouze pro omezenou část roku |
3.1 Hodnocení vnitřního prostředí v rodinném domě v Babicích
V souhrnu za celou dobu provozu a pro všechny obytné místnosti (nejsou zahrnuty koupelny) je 62 % z celkového času teplota vzduchu ve třídě I a 34 % času ve třídě II. Pokud by nebyla započtena ložnice, třída I by byla dosažena po prakticky 90 % času z dané periody (únor–květen). Teplota vzduchu dosahuje ve většině obytných místností třídy I, pouze v ložnici, což je dáno osobní preferencí uživatele, dosahuje po většinu doby teplota vzduchu třídy II−, což znamená teplotu vzduchu v rozmezí 20–22 °C. Z detailního hodinového úhrnu (např. pro duben) je patrné, že se tak děje zejména v době mimo běžnou přítomnost osob v ložnici. V ložnici je pak dosažena nižší žádaná teplota.
Obr. 2 Hodnocení teploty vzduchu všech obytných místností
Obr. 3 Hodnocení teploty vzduchu všech obytných místností po měsících
Koncentrace CO2 ukazuje na způsob větrání budovy vzhledem k činnosti. Je třeba podotknout, že tato budova umožňuje pouze větrání okny, což se projevuje sekundárně také na koncentraci CO2. V případě obytných místností je koncentrace CO2 dokonce 41 % času z doby měření nad hygienickým limitem 1500 ppm. Zbylých 51 % času je v hygienickém limitu, nicméně v komfortním pásmu (třída I a II) je pouze 41 % času. Toto ukazuje na nedostatečné větrání objektu, které průměrně odpovídá intenzitě větrání cca 0,1 h−1.
Obr. 4 Hodnocení koncentrace CO2 všech obytných místností
V případě jednotlivých měsíců otopného období je situace obdobná jako v souhrnu za celé období.
Obr. 5 Hodnocení koncentrace CO2 všech obytných místností po jednotlivých měsících
Detailní pohled na průběh úhrnu koncentrace CO2 z měřeného období ukazují např. průběhy pro ložnici a obývací pokoj, z kterých je patrný časový profil provozu pro tyto místnosti, tzn. v ložnici pobyt osob v nočních hodinách a v průběhu dne prakticky kontinuální pobyt osoby v dětském pokoji s přestávkou v podvečerních hodinách. Z průběhu patrné, že špičkové koncentrace dosahují hodnot 2500 až 3000 ppm.
Obr. 6 Detailní hodnocení koncentrace CO2 v ložnici – 04/2021
3.2 Hodnocení vnitřního prostředí v rodinném domě v Doksech
Porovnání jednotlivých místností z hlediska tříd vnitřního prostředí pro teplotu vzduchu ukazuje následující graf pro jednotlivé měsíce. V souhrnu za celou dobu provozu a pro všechny obytné místnosti je 56 % z celkového času teplota vzduchu ve třídě I a 39 % času ve třídě II.
Obr. 7 Hodnocení teploty vzduchu všech obytných místností
Pokud by ovšem nebyl započten „velký pokoj“, který není využívaný a obývaný, třída I by byla dosažena po 73 % času z dané periody (únor–květen). Třídy III a IV by pak nebyly dosaženy vůbec.
Obr. 8 Hodnocení teploty vzduchu všech obytných místností bez „velkého pokoje“
V dalším souhrnu po měsících pro celou budovu je z tohoto důvodu vyřazen velký pokoj a souhrny se týkají pouze stabilně obývaných místností.
Obr. 9 Hodnocení teploty vzduchu všech obytných místností po měsících (bez „velkého pokoje“)
Koncentrace CO2 ukazuje na způsob větrání budovy vzhledem k činnosti. Je třeba podotknout, že tato budova umožňuje pouze větrání okny, což se projevuje sekundárně také na koncentraci CO2. Opět jako v případě teploty vzduchu je z celkového souhrnu vynechán velký pokoj, který není obýván.
V případě obytných místností je koncentrace CO2 17 % času z doby měření nad hygienickým limitem 1500 ppm. V komfortním pásmu (třída I a II) je objekt 75 % času. 28 % z celkové doby připadá na třídy III a IV, což způsobuje zejména „malý pokoj“, kde koncentrace CO2 dosahují až 5000 ppm a při snaze vyvětrání této koncentrace dojde poklesu např. pouze k cca 2000 ppm.
Obr. 10 Hodnocení koncentrace CO2 všech obytných místností bez „velkého pokoje“
V případě jednotlivých měsíců otopného období je situace obdobná jako v souhrnu za celé období.
Obr. 11 Hodnocení koncentrace CO2 všech obytných místností po jednotlivých měsících bez velkého pokoje
Detailní pohled na průběh úhrnu koncentrace CO2 z měřeného období ukazují např. průběhy pro ložnici a malý pokoj, z kterých je patrný časový profil provozu pro tyto místnosti, tzn. v ložnici pobyt osob v nočních hodinách a v průběhu dne prakticky kontinuální pobyt osoby v dětském pokoji s přestávkou v podvečerních hodinách. Z průběhu patrné, že špičkové koncentrace v „malém pokoji“ dosahují hodnot vysoce nad 3000 ppm. V ložnici, která je také v průběhu dne využívána jak pracovna, je např. večer dosahováno vyšších koncentrací, nicméně nepřesahující 1700 ppm. Přes noc je pak v důsledku otevřeného okna naopak koncentrace CO2 velmi nízká. Opakem je „malý pokoj, kde koncentrace CO2 naopak roste a následně v ranních hodinách není ani vyvětrána.
Obr. 12 Detailní hodnocení koncentrace CO2 v „malém pokoji“ – 02/2021
4 Závěr
Provedené měření a hodnocení spotřeby energie a vnitřního prostředí ukazuje provoz tří různých typů rodinných domů v odlišných podmínkách. Vzhledem k tomu, že měření bylo prováděno v období únor–květen 2021, tzn. částečně ovlivněno pandemickým lockdownem, byl poměrně jasně daný provoz objektů i přítomnost osob. Lze tedy paradoxně konstatovat, že naměřená data jsou referenčními a zohledňují kontinuální provoz rodinného domu.
Měřené domy mají podobnou kvalitu obálky, nacházejí se ale v různých lokalitách a mají odlišný způsob užívání. Z měření vyplývá, že spotřeba energie na vytápění je ovlivněna chováním uživatele. Nastavení časové regulace topného systému přináší nižší spotřebu energie.
Pomocí naměřených dat bylo možné pro vybrané objekty stanovit celoroční potřebu energie a ta byla následně konfrontována s vypočtenou předpokládanou hodnotou dílčí dodané energie na vytápění stanovenou při hodnocení energetické náročnosti budov.
Současně hodnocení kvality vnitřního prostředí uvozuje naměřené hodnoty spotřeby energie na vytápění a umožňuje porovnání mezi jednotlivými objekty. Parametry vnitřního prostředí jsou jednak okrajovou podmínkou v energetickém výpočtu, tak je stav vnitřního prostředí důležitou okrajovou podmínkou při komentáři a hodnocení spotřeby energie na vytápění. Kvalita vnitřního prostředí v případě těchto objektů spojena s otopným systémem, který zajišťuje tepelnou pohodu. Současně je podstatné, zdali otopný systém dokáže zajistit stabilní parametry vnitřního prostředí. V případě měřených rodinných domů lze konstatovat, že z pohledu teploty vzduchu jsou v obytných místnostech dodrženy stabilní požadované podmínky. Naopak v místnostech, které nejsou využívány, nebo jsou využívány občasně, otopný systém umožňuje individualizaci v podobě žádané teploty vzduchu.
Z provedeného měření vyplývá, že reálná roční spotřeba elektřiny na vytápění hodnocených budov s elektrickými sálavými panely vykazuje rozdíl ve výší min 30–40 % oproti vypočteným hodnotám podle PENB vyhlášky č. 264/2020 Sb. Obecně lze říci, že elektrické topné systémy vlivem způsobu užívání budovy, ať v dobrém slova smyslu, nebo ve smyslu nedodržení hygienických podmínek (nedostatečné větrání) mohou dosáhnout výraznou úsporu vzhledem k výpočtovým předpokladům.
Tento článek představuje výstupy zpracované v rámci programu OP PIK, CZ.01.1.02/0.0/0.0/20_358/0023367 - Analýza spotřeby elektrické energie na vytápění rodinných domů v různých klimatických podmínkách.
5 Literatura
- Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů
- Vyhláška č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov
- ČSN 73 0331-1 – Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet – Obecná část a data pro měsíční krok
- Urban, M., Kabele, K. Národní kalkulační nástroj NKN (počítačová aplikace). Ver. 4.1 Praha, 2019. Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov, 37 MB.
- Kabele, K.; Veverková, Z.; Urban, M. Metodika hodnocení kvality vnitřního prostředí v budovách s téměř nulovou spotřebou energie. [Certified Methodology] 2019.
The first part described the real course of heating and electricity consumption by radiant panels of two family houses with different uses. In this part, the houses are compared in terms of the parameters of their indoor environment and in relation to the measured energy consumption and their energy intensity.