Emise skleníkových plynů bytového domu v kontextu klimatických cílů stanovených Pařížskou dohodou (2. část)

I. díl článku naleznete zde.

1. Úvod

Druhá část seriálu se zabývá návrhem emisně úsporných opatření, která redukují provozní a svázané emise předmětného objektu. Úsporná opatření jsou následně kombinována do výsledných variant za účelem splnění emisního požadavku pro klimatický cíl 1,5 °C. Zároveň je provedena diskuze o realizovatelnosti navržených variant v podmínkách ČR a objektivní zhodnocení okrajových podmínek případové studie.

2. Metody

Návrh úsporných opatření pro snížení emisí skleníkových plynů

Navržena byla následující úsporná opatření vedoucí ke snížení provozních a svázaných emisí CO_2,ekv. bytového domu.

• OP1 – Změna zónování – Zóna hlavní chodby a schodiště sloučena s temperovanou zónou garáží a skladových prostor v 1. NP. Původně navržená vnitřní výpočtová teplota 16 °C snížena na 5 °C.
• OP2 – Součinitel prostupu tepla – Ochlazované konstrukce jsou navrženy na přísnější požadavky součinitele prostupu tepla U_pasiv. V rámci optimalizace konstrukčních detailů byla snížena přirážka na tepelné vazby ΔU_em z 0,05 na 0,02 W/(m²K).
• OP3 – Svázané emise – Volba enviromentální šetrnějších konstrukcí a materiálů (zhodnocení různých typů svislých nosných konstrukcí, vodorovných nosných konstrukcí a tepelných izolací).
• OP4 – Zdroj tepla – Volba nízkoemisního zdroje/energonositele (dřevní biomasa) – emisní faktory vybraných energonositelů dřevní biomasa 9,2 g CO_2,ekv./MJ, zemní plyn 87,1 g CO_2,ekv./MJ, elektrická energie 207,4 g CO_2,ekv./MJ. [1]
• OP5 – Osvětlení – Instalace úsporných LED svítidel namísto původních žárovek a zářivek.
• OP6 – Nucené větrání – Instalace nuceného větrání s využitím odpadního tepla pomocí rekuperačního výměníku (s minimální účinností 77 %, zvýšení kvality vnitřního prostředí.
• OP7 – Fototermické kolektory – Využití sluneční energie pro předehřev teplé vody, celková instalována plocha kolektorů 80 m² se sklonem 35°, akumulační nádrž o objemu 4500 l.
• OP8 – Fotovoltaické panely – Využití sluneční energie pro pokrytí elektrické energie. Instalovaný výkon 5,4 kWp nebo 9,0 kWp, účinnost min. 15 %, sklon 35°.

Sestavení variant

Celkem bylo navrženo 6 variant kombinující úsporná opatření. Varianty vznikaly na základě postupné implementace navržených opatření tak, aby byly zřetelné dopady těchto opatření na celkové emise.

Varianta A

Varianta A obsahuje změnu zónování, instalaci kotle na dřevní biomasu pro vytápění a přípravu teplé vody, instalaci úsporného LED osvětlení. Jedná se o kombinaci základních opatření s minimálním vlivem na změnu fungování objektu či změnu konstrukčního řešení. Opatření směřují na snížení podílu provozních emisí CO_2,ekv. v rámci technických systémů. Přední výhodou této varianty je, že lze použít jako pro novostavby, tak rekonstrukce bytových domů, které, které by tímto způsobem mohly dosáhnout hranice emisního požadavku 17,04 t CO_2,ekv./a.

Varianta B

Varianta B doplňuje předchozí variantu s důrazem na snížení podílu svázaných emisí CO_2,ekv. při použití konstrukčního systému v podobě vápenopískových cihel pro stěnové konstrukce a ŽB předpjaté dutinové panely pro stropní konstrukce. Varianta je také doplněna o systém fototermických kolektorů.

Varianta C

Varianta C kombinuje navržená úsporná opatření s důrazem na nízkou energetickou náročnost objektu. Všechny konstrukce splňují požadované hodnoty součinitele prostupu tepla pro pasivní budovy U_pasiv dle ČSN 73 0540-2, tepelné vazby a mosty jsou optimalizované na minimální hodnoty 0,02 W/(m²K). Technické systémy jsou doplněny nuceným rovnotlakým větracím systémem se zpětným získáváním tepla. Konstrukční systém je nově navržen jako environmentálně šetrná dřevostavba tzv. systém „two by four“ v podobě montovaného dřevěného rámu vyplněného tepelnou izolací.

Varianta D

Varianta D vychází z kombinace opatření zmíněných ve variantě C. Nově je navržen systém fotovoltaických panelů pro redukci spotřeby elektrické energie, kterou navýšily systémy nuceného větrání a fototermických kolektorů.

Varianta E

Varianta E vychází z kombinace opatření zmíněných ve variantě D s tím rozdílem, že zdrojem tepla zůstal původně navržený plynový kondenzační kotel.

Varianta F

Varianta F navazuje na variantu E s cílem splnit emisní požadavek při zachování původního zdroje tepla v podobě plynového kondenzačního kotle (varianta E emisního požadavku nedosáhla). Kombinace opatření vychází z předešlé varianty s několika zásadními rozdíly. Konstrukce jsou nově navrženy na nejnižší hodnoty doporučených hodnot U_pas,20 pro pasivní budovy dle ČSN 73 0540-2. Tepelné vazby jsou provedeny v nejvyšší kvalitě. Fotovoltaické panely budou sloužit po pokrytí spotřeby elektrické energie na provoz nuceného větrání, pomocných energií, osvětlení a nově i zčásti na přípravu teplé vody. Přebytky budou distribuovány do sítě. Tyto přebytky v bilanci provozních emisí nejsou uvažovány. Oproti předešlým variantám je navýšena celková plocha fotovoltaických panelů na 50 m².

Tabulka 3 – Přehled navržených kombinací úsporných opatření

Celkové vyhodnocení a porovnání navržených variant

Následující tabulka ukazuje vývoj svázaných a provozních emisí při aplikaci úsporných opatření, celkovou spotřebu energie v objektu a srovnání jednotlivých variant s emisními požadavky pro klimatické cíle 1,5 °C a 2,0 °C. Z šesti navržených variant všechny dosahují emisního limitu pro 2,0 °C a pět z nich emisního limitu pro 1,5 °C.

Tabulka 4 – Vyhodnocení celkových emisí v porovnání s emisními požadavky

Varianta A

Varianta A představuje značně pozitivní výsledek, kdy při volbě vhodného nízkoemisního zdroje tepla (dřevní biomasa s emisním faktorem 9,2 g CO_2,ekv./MJ), redukci vysoce emisní elektrické energie (207,4 g CO_2,ekv./MJ) pomocí LED svítidel a vhodným zónováním objektu lze dosáhnout emisního požadavku pro klimatický cíl 1,5 °C. Zároveň lze tuto variantu realizovat jak při novostavbě bytového domu, tak při rekonstrukci stávajícího objektu.

Varianta B

Varianta B svým charakterem navazuje na předchozí variantu, kdy se snaží o nalezení další úspory emisí v podobě realizace fototermických kolektorů a změnou materiálů nosných konstrukcí na environmentálně šetrnější. V tomto případě se podařilo snížit svázané emise a celkovou spotřebu energie. Varianta B představuje úspornější alternativu k variantě A.

Varianta C

Varianta C představuje transformaci varianty B do pasivního standardu, který je spojen s instalací nuceného větrání. Varianta zásadně snižuje energetickou náročnost objektu, nicméně instalace nuceného větrání a fototermických kolektorů způsobila navýšení vysoce emisní elektrické energie a tím i provozních emisí. Varianta zahrnuje změnu konstrukčního systému na environmentálně šetrnou dřevostavbu s cílem vykompenzovat navýšení provozních emisí z elektrické energie.

Varianta D

Varianta D doplňuje variantu C o fotovoltaické panely s instalovaným výkonem 5,4 kWp. Výsledkem je značné snížení spotřeby vysoce emisní elektrické energie a tím i provozních emisí.

Varianta E

Varianta E představuje aplikaci všech opatření se zachováním původního zdroje tepla v podobě plynového kondenzačního kotle. Z výsledků plyne, že i přes realizaci všech úsporných opatření, zemní plyn není vhodným energonositelem, a varianta nesplní přísnější emisní požadavek pro klimatický cíl 1,5 °C.

Varianta F

Poslední varianta si klade za cíl splnit emisní požadavek při zachování původního zdroje tepla v podobě plynové kondenzačního kotle. Řešením bylo snížit spotřebu tepla na vytápění na minimum, což bylo provedeno přes volbu nižších hodnot součinitele prostupu tepla ochlazovaných konstrukcí a dále optimalizací tepelných vazeb. Oproti variantě E se snížila spotřeba tepla na vytápění o cca 50 %. Dále byla navýšena plocha fotovoltaických panelů na 50 m² s instalovaným výkonem 9,0 kWp. Elektrická energie získaná z FVE se nově podílí i na ohřevu teplé vody.

Z výsledků je patrné, že nejdůležitějším faktorem pro splnění emisního požadavku je volba správného zdroje tepla s nízkým emisním faktorem. Jelikož největší vliv na provozní emise má spotřeba elektrické energie, pak je velmi vhodné instalovat FVE, včetně akumulace do baterií pro efektivnější pokrytí nerovnoměrnosti produkce a odběru systémů. Dalším řešením je volba environmentálně vhodného konstrukčního systému a materiálů kompletačních konstrukcí, které také mohou značně snížit svázané emise.

Dalším důležitým poznatkem se ukázala aplikace fototermických kolektorů a systému nuceného větrání, které přestože značně snižují energetickou náročnost, tak nemusí nutně snižovat provozní emise vzhledem k navýšení spotřebě elektrické energie. Opatření dosahují pozitivní emisní bilance v případě úspory na energonositelích o vyšším emisním faktoru, v případě dřevní biomasy dosahují negativní emisní bilance.

3. Diskuse

Zjednodušené předpoklady

Studie obsahuje řadu okrajových podmínek, které byly cíleně zjednodušeny nebo zanedbány. Jedná se například o požárně bezpečností řešení objektu (vliv na skladby konstrukcí), akustické požadavky dělicích konstrukcí (vliv na skladby konstrukcí), požadavek na proslunění obytných prostor (orientace objektu ke světovým stranám), statický návrh konstrukcí. Dále se jedná o zjednodušený výpočet svázaných emisí, který neuvažuje rozdílnou životnost pro jednotlivé materiály a konstrukce, do výpočtu také nejsou zahrnuty zařízení technických systémů a další drobné výrobky. Výpočet energetické bilance fotovoltaického systému a jeho využitelnosti je zjednodušený. Pro přesnější výpočty by bylo nutné využít specializovaného softwaru. Ohledně přebytků vyrobené elektřiny z FVE, které jdou do distribuční sítě, vyvstává otázka, zda je do emisní bilance uvažovat či nikoliv. Do energetického hodnocení objektu není zahrnutá spotřeba elektrické energie na standardní a nestandardní spotřebiče. Vzhledem k velmi vysokému emisnímu faktoru elektrické energie, může mít tato spotřeba značný vliv na hodnotu celkových provozních emisí.

Primárním cílem studie bylo nalézt optimální metody a postupy, které budou vést ke splnění stanovených emisních požadavků, a zjistit, za je vůbec reálné těchto požadavků dosáhnout. Z těchto důvodu byly výše zmíněné předpoklady zjednodušeny.

Emisní faktory

Rozhodujícím faktorem pro výpočet provozních (z části i svázaných) emisí CO_2,ekv. jsou zmíněné emisní faktory. Některé z nich nejsou přirozeně konstantní a v delším časovém horizontu se mohou měnit. Úskalím výpočtu je především emisní faktor pro elektrickou energii. V budoucích letech můžeme předpokládat značný pokles emisního faktoru elektrické energie vzhledem k vyššímu podílu využití obnovitelných zdrojů energie a jaderné energie (dle strategie Státní energetické koncepce (SEK) a klimaticko-energetické koncepce EU (resp. nařízeních od Evropské komise). V této studii je pro výpočet provozních emisí CO_2,ekv. uvažována hodnota 207,4 g CO_2,ekv./MJ dle metodiky SBToolCZ. Vývoj emisního faktoru elektrické energie pro ČR a ostatní státy EU lze nalézt v dokumentu Evropské komise Covenant of Mayors for Climate and Energy: Default emission factors for local emission inventories (verze z roku 2017). Pro rok 2013 je uveden emisní faktor o hodnotě 0,783 t CO₂/MWh, což představuje 217,5 g CO₂/MJ. Metodika SBToolCZ uvádí hodnotu 207,4 g CO_2,ekv./MJ. Obě hodnoty jsou si velmi podobné. Pokud provedeme grafickou analýzu vývoje emisního faktoru od roku 2000 a proložíme jej spojnicí trendu, vychází emisní faktor pro rok 2030 přibližně 0,50 t CO₂/MWh, přepočteno na 138,9 g CO₂/MJ, což představuje 67 % původní hodnoty.

Realizovatelnost variant v podmínkách ČR

V zásadě jsou všechny navržené varianty bez větších omezení v České republice realizovatelné. Omezující kritéria se týkají požární výšky dřevostaveb, zapojení FVE o větším výkonu než 10 kWp do distribuční sítě a realizaci kotelny na dřevní biomasu z hlediska ochrany ovzduší ve velkých městech.

Dřevostavba systému „two by four“ je klasifikována dle požární bezpečnosti jako hořlavý konstrukční systém, což znamená, že požární výška objektu musí být menší nebo rovna 12,0 m. Požární výška předmětného objektu činí 8,8 m, podmínka je tedy splněna. Nicméně bytové domy o větším počtu podlaží by této podmínce nevyhověly. [2]

Pro připojení fotovoltaické elektrárny nad instalovaný výkon 10 kWp je nutné získat licenci od Energetického regulačního úřadu.

Kotle na tuhá paliva (dřevní biomasu) zpravidla nelze instalovat v prostředí velkých měst vzhledem k vysoké koncentraci prachových částic, instalovány jsou pouze výjimečně a v odůvodněných případech.

4. Závěr

Studie představuje možný přístup v aplikaci emisních limitů skleníkových plynů pro bytové domy v České republice na základě vědecké zprávy Emissions Gap Report 2018. Pro předmětný bytový dům byly stanoveny emisní limity o hodnotě 17,04 t CO_2,ekv./a pro klimatický cíl 1,5 °C a 28,40 t CO_2,ekv./a pro klimatický cíl 2,0 °C. Následně bylo provedeno enviromentální hodnocení bytového domu pomocí zjednodušené metody posuzování životního cyklu (LCA) v souladu s národním nástrojem pro certifikaci budov SBToolCZ. Výsledky ukázaly, že hodnocený bytový dům překročil emisní požadavek o 2,5násobek jeho hodnoty. Na základě výsledků bylo vytvořeno 6 variant, které kombinují úsporná opatření provozních a svázaných emisí. Úporná opatření zahrnovala změnu teplotního zónování, zlepšení tepelně-technických vlastností ochlazovaných konstrukcí včetně optimalizace tepelných vazeb, volbu environmentálně šetrnějších materiálů, změnu zdroje tepla na nízkoemisní zdroj, instalaci LED osvětlení, použití nucení větrání s rekuperačním výměníkem, instalaci fototermických a fotovoltaických panelů. V závěru bylo provedeno porovnání těchto variant a diskuze o jejich realizovatelnosti v podmínkách ČR.

5. Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a v rámci projektu INTER-EXCELLENCE č. LTT19022.

6. Reference

1. Metodika SBToolCZ: Hodnocení bytových staveb. Fakulta stavební, VUT v Brně [online]. [cit. 2019-03-16]. Dostupné z: https://www.fce.vutbr.cz/pst/kolar.r/files/SBTool_CH09_emisni_konverzni_faktory.pdf
2. Požární výška objektu. TZB-info [online]. [cit. 2019-04-06]. Dostupné z:
   https://www.tzb-info.cz/pozarni-bezpecnost-staveb/13650-pozarni-vyska-objektu