Vliv hodinového kroku pro výpočet energetické náročnosti budovy
Od 1. ledna 2023 se pro budovy a zóny s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie provádí výpočet energetické náročnosti s intervalem jedné hodiny. Předmětem příspěvku je porovnání výsledků v měsíčním a hodinovém kroku.
Úvod
Počínaje 1. lednem 2023 na základě § 4 odst. 1 vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov je nezbytné pro budovy nebo zóny s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie provést výpočet energetické náročnosti budovy s intervalem jedné hodiny. Předmětem příspěvku je přiblížení základních specifik hodinového kroku výpočtu a porovnání výsledků výpočtu a hodnocení energetické náročnosti v měsíčním a hodinovém kroku výpočtu podle požadavků platné legislativní úpravy.
V souvislosti s hodinovým krokem výpočtu. nyní využívaným při hodnocení budov a který byl doménou detailních simulací energetického chování budov, je nejprve třeba uvést několik důvodů a rozdílů, proč je hodinový krok výpočtu vhodnější využít ve srovnání s měsíčním krokem výpočtu i v oblasti výpočtu a hodnocení energetické náročnosti budov:
- Výpočet potřeby energie na chlazení a vytápění umožňuje přesnější zohlednění tepelné akumulace konstrukcí budovy a časového rozložení tepelných zisků a tepelných ztrát. Výpočet potřeby energie na chlazení a vytápění reaguje ne teplotní gradient v intervalu jedné hodiny, nikoliv na teplotní gradient v intervalu jednoho měsíce. Tato skutečnost má vliv na přesnější výpočet potřeby energie na chlazení u budov se systémem chlazení a přesnější výpočet potřeby energie na vytápění u budov s velmi nízkou energetickou náročností vzhledem ke skutečnému chování budovy.
- Výpočet produkce elektřiny z fotovoltaického (dále jen FV) systému více odpovídá reálnému přínosu těchto systémů v porovnání s měsíčním krokem výpočtu. Bohužel reálný přínos je proti hodinovému kroku odlišný. To je způsobeno skutečností, že součástí celkové dodané energie není uživatelská elektrická energie (zásuvková spotřeba). Současně v případě exportu přetoků elektřiny z FV systému je export v časovém kroku výpočtu (hodiny) omezen maximálně ve výši dvounásobku celkové dodané energie do budovy v tomto časovém kroku [1]. Tato skutečnost v letním období může znamenat velmi omezený započitatelný export elektřiny do distribuční sítě.
- Hodinový krok výpočtu umožňuje stanovit proměnné parametry účinnosti technického systému (např. COP pro tepelné čerpadlo vzduch-voda).
- Hodinový krok výpočtu stanovuje výpočet dílčí dodané energie na osvětlení na základě venkovní osvětlenosti. Výpočet dílčí dodané energie na osvětlení tak odpovídá nutnosti využití umělého osvětlení v závislosti na denní době provozu.
- Hodinový krok výpočtu umožňuje podrobnější modelování skutečného provozu v budově, případně vlastních profilů typického užívání.
Okrajové podmínky pro hodinový krok výpočtu
Hodinový krok výpočtu vyžaduje specifické okrajové podmínky, které jsou pro potřeby hodinového výpočtu energetické náročnosti definovány [3] pomocí:
- souboru klimatických dat pro výpočet energetické náročnosti budov, které odpovídají požadavkům normy ČSN EN ISO 15927-4,
- typických profilů užívání budov pro výpočet energetické náročnosti budov v hodinovém kroku výpočtu v návaznosti na typické profily užívání pro měsíční krok výpočtu [2].
Klimatická data
Klimatická data pro hodinový výpočet pro hodnocení energetické náročnosti budov jsou definovány jako jedna sada pro celou Českou republiku.
Profily typického užívání
Profily typického užívání pro hodinový krok výpočtu vycházejí ze struktury uvedené v ČSN 73 0331-1. Profily typického užívání tvoří jednotlivé parametry a vyjadřují požadavky vycházející z technických norem a legislativních předpisů. Parametry profilu typického užívání jsou v rámci časového rozvrhu rozloženy do 24 časových kroků a jsou pro daný časový krok případně redukovány tak, aby průběh parametru v podobě časového rozvrhu vyjadřoval typické užívání budovy. Profily jsou zpracovány ve struktuře:
- požadované parametry při provozu budovy, časové rozložení parametrů do 24 h pro tři typy časových profilů: všední den (pondělí až pátek), víkendový den a svátek (sobota, neděle, svátek), mimořádný provoz (prázdniny, budova mimo provoz apod.),
- celoroční kalendář, který identifikuje jednotlivé typy časových profilů, svátky, školní prázdniny a další typy mimořádných provozů.
Porovnání měsíčního a hodinového kroku výpočtu
Porovnání výsledků dvou časových kroků výpočtu je provedeno za účelem zjištění rozdílů v hodnocení energetické náročnosti budovy prostřednictvím ukazatelů energetické náročnosti a rozdílů ve stanovení klasifikačních tříd. Na jedné straně nelze očekávat identické dílčí výsledky v případě výpočtu s měsíčním a hodinovým krokem výpočtu, na druhé straně by nemělo dojít pomocí hodinového kroku výpočtu k absolutně odlišným závěrům plynoucích z hodnocení energetické náročnosti budov. Pro tuto část je klíčové, pokud je pro budovu prostřednictvím měsíčního výpočtu stanoven kvalitativní standard, měl by hodinový krok výpočtu tento kvalitativní standard určit také. Jak z pohledu splnění požadavků na energetickou náročnost, tak z pohledu stanovení klasifikačních tříd.
Testovací modely
Pro ověření klimatických dat, struktury profilů typického užívání budovy a reálné použitelnosti uvedených okrajových podmínek ve zpracovatelských SW byly připraveny čtyři testovací modely. Testovací modely typových jednozónových modelů byly zpracovány pomocí stávajícího měsíčního výpočtu a pomocí beta-verze hodinového kroku výpočtu v SW Energie 2023. V případě měsíčního kroku výpočtu byly použity stávající profily typického užívání budovy a klimatická data uvedená v ČSN 73 0331-1. V případě hodinového kroku výpočtu byly použity profily typického užívání a hodinová klimatická data. Parametry konstrukcí jsou definovány v rozsahu potřebném pro hodinový krok výpočtu. Tepelně technické vlastnosti neprůsvitných konstrukcí musí být pro hodinový krok výpočtu definovány fyzikálními vlastnostmi jednotlivých vrstev konstrukce z důvodu zohlednění akumulace tepla do těchto konstrukcí, nikoliv pouze obecnou hodnotou součinitele prostupu tepla U [W/m2.K], jako je tomu u měsíčního kroku výpočtu. Tepelně technické vlastnosti testovacích modelů jsou naladěny na doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla U podle ČSN 73 0540-2.
Rodinný dům (dále jen RD)
Bytový dům (dále jen BD)
Škola
Administrativní budova (dále jen Adm)
Obr. 1 Geometrie modelů testovacích objektů
Technické systémy jsou pro každý testovací model definovány podle typu spotřeby. Parametry technických systémů jsou voleny v souladu s měsíčním krokem výpočtu podle ČSN 730331-1 a hodnoty parametrů technických systémů jsou konstantou pro každý krok výpočtu konstantou se stejnou hodnotou pro všechny kroky výpočtu, hodnota parametru technického systému se v průběhu roku nemění.
| Model | Vytápění (zemní plyn) | Chlazení (elektřina) | Nucené větrání (elektřina) | Příprava teplé vody (zemní plyn) | Osvětlení (elektřina) | Úprava vlhkosti (elektřina) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rodinný dům | x | – | x | x | x | – |
| Bytový dům | x | – | x | x | x | – |
| Škola | x | x | x | x | x | – |
| Administrativní budova | x | x | x | x | x | x |
Výpočet testovacích modelů
Specifikum hodinového výpočtu částečně ovlivňuje výrazně odlišné výsledky výpočtu dílčí dodané energie na osvětlení, které se propisují do celkové bilance ve formě tepelné zátěže z osvětlení. Vzhledem k úsporným osvětlovacím soustavám v testovacích modelech tato skutečnost způsobí minimální rozdíly v bilanci potřeby energie na vytápění a chlazení. Zatímco u bytových staveb lze hovořit o konstantním užívání po celý rok, kdy se liší v hodinovém průběhu pouze některé parametry typického užívání, tak v případě školy a administrativní budovy se již rozdíl mezi měsíčním a hodinovým výpočtem, právě z důvodu detailního popisu hodinového provozu a zavedení kalendáře pro celý rok, zvětšuje. V případě měsíčního kroku výpočtu dochází v rámci kroku výpočtu (měsíce) k rovnoměrnějšímu rozprostření tepelných zisků do tohoto časového období, než je při detailnějším kroku výpočtu, což zpravidla vede k nižší potřebě energie na vytápění. Při hodinovém kroku výpočtu se vnitřní tepelné zisky uplatňují v krocích výpočtu s vyšší teplotou vzduchu a s vlivem slunečního záření a v době mimo provoz především administrativní budovy – v noci, kdy je venkovní teplota nižší, žádné vnitřní ani vnější tepelné zisky uplatňovány nejsou. Z tohoto důvodu bývá zpravidla potřeba energie na vytápění pro hodinový výpočet vyšší než v případě měsíčního bilančního výpočtu. Stejně jako u bytových staveb je největší rozdíl ve výpočtu dílčí dodané energie na osvětlení. V tomto případě je rozdíl naprosto dominantní a souvisí s parametry typického užívání, způsobem zadání provozu (hodinový profil užívání, kalendář – prázdniny, víkendy) a velikostí testovacího modelu. Tento rozdíl má pak vliv nejen na rozdíl celkové dodané energie (nižší o 16 %), ale také primární energie z neobnovitelných zdrojů a stanovení množství energie v jednotlivých energonositelích. V případě primární energie z neobnovitelných zdrojů rozdíl činí přes 30 %, pro samotnou elektřinu je spotřeba nižší o 60 % u hodinového kroku výpočtu.
| RD | BD | Škola | Adm | |
|---|---|---|---|---|
| Potřeba energie na vyt. – měs. krok [kWh/(m2.rok)] | 28,0 | 18,7 | 16,4 | 3,3 |
| Potřeba energie na vyt. – hod. krok [kWh/(m2.rok)] | 28,5 | 20,9 | 19,9 | 5,6 |
| Potřeba energie na chl. – měs. krok [kWh/(m2.rok)] | – | – | 13,3 | 60,7 |
| Potřeba energie na chl. – hod. krok [kWh/(m2.rok)] | – | – | 13,5 | 70,0 |
Celková dodaná energie do budovy pro jednotlivé testovací modely vychází velmi podobně u hodinového kroku výpočtu, jako u měsíčního kroku výpočtu. Rozdíly mezi dílčími dodanými energiemi, především na vytápění chlazení a osvětlení, se v celkové bilanci doplňují a výsledkem jsou číselně velmi podobné hodnoty celkové měrné dodané energie do budovy. Rozdíly mezi primární energií z neobnovitelných zdrojů je již mezi měsíčním a hodinovým výpočtem větší z důvodu rozdílných hodnot vypočtených energonositelů pro dílčí dodané energie – zemní plyn, elektřina. Výši vypočtené elektřiny velmi výrazně ovlivňuje rozdíl ve výpočtu dílčí dodané energie na osvětlení. Díky vysokému faktoru primární energie z neobnovitelných zdrojů pro elektřinu a rozdílnému poměru výše uvedených energonositelů je rozdílná výsledná hodnota měrné potřeby energie na vytápění.
| RD | BD | Škola | Adm | |
|---|---|---|---|---|
| Celková dodaná en. – měs. krok | 60,6 | 56,5 | 51,9 | 48,2 |
| Celková dodaná en. – hod. krok | 61,9 | 60,0 | 43,5 | 44,1 |
| PE z neobnovitelných zdrojů – měs. krok | 66,7 | 62,6 | 77,3 | 105,1 |
| PE z neobnovitelných zdrojů – hod. krok | 69,9 | 68,2 | 53,6 | 89,7 |
| Elektřina – měsíční krok | 3,8 | 3,9 | 15,9 | 35,5 |
| Elektřina – hodinový krok | 5,0 | 5,2 | 6,3 | 28,5 |
| Zemní plyn – měsíční krok | 56,8 | 52,6 | 36,0 | 12,7 |
| Zemní plyn - hodinový krok | 57,0 | 54,8 | 37,2 | 15,5 |
Shrnutí ukazatelů energetické náročnosti, které jsou předmětem klasifikace, případně hodnocení, ukazuje následující tabulka. Vhledem k hodnocení energetické náročnosti pomocí referenční budovy jsou podobné rozdíly také na budově referenční. Z tohoto důvodu je potom výsledek hodnocení energetické náročnosti budovy a stanovení klasifikačních tříd podobné jako u měsíčního výpočtu.
| RD | BD | Škola | Adm | |
|---|---|---|---|---|
| Celková dodaná energie do budovy | ||||
| Klasifikační třída – měsíční krok | A | A | A | C |
| Klasifikační třída – hodinový krok | A | A | A | C |
| Splnění požadavku – měsíční krok | ANO | ANO | ANO | ANO |
| splnění požadavku – hod. krok | ANO | ANO | ANO | NE |
| Primární energie z neobnovitelných zdrojů | ||||
| Klasifikační třída – měsíční krok | B | B | B | C |
| Klasifikační třída – hodinový krok | B | B | B | D |
| Splnění požadavku – měsíční krok | ANO | ANO | ANO | NE |
| Splnění požadavku – hod. krok | ANO | ANO | ANO | NE |
Závěr
Na testovacích modelech bylo provedeno otestování okrajových podmínek, kalibrace a optimalizace parametrů typického užívání. Na základě porovnání se stávajícím měsíčním krokem výpočtu bylo ověřeno, že použití hodinového kroku výpočtu pro čtyři testovací modely nepovede k odlišným závěrům ve vztahu k hodnocení a klasifikace energetické náročnosti. Nelze předpokládat, že hodinový krok výpočtu za použití uvedených okrajových podmínek povede k podobným vypočteným spotřebám energie jako v případě měsíčního kroku výpočtu už z podstaty délky časového kroku výpočtu. Co hodinový krok výpočtu nepřináší, je očekávané zpřesnění výpočtu bilance některých FV systémů z důvodu legislativního omezení maximálního přetoku a především z důvodu chybějící uživatelské energie v celkové bilanci dodané energie.
Poznámka
Tento článek byl ve formě přednášky prezentován na oborné konferenci Vytápění Třeboň 2023, kterou organizuje Společnost pro techniku prostředí, sekce Vytápění.
Literatura
- 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. Praha: ÚNMZ, 2020.
- KABELE, K. a kol. Hodinová klimatická data a parametry typického užívání budov a zón s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie pro výpočet dodané energie a pomocné energie v souladu s § 4 odst. 1 vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov. Společnost pro techniku prostředí. 2022, ISBN 978-80-02-02987-8.
Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu v programu TRIO.
Autoři
Ing. Miroslav Urban, Ph.D.
Absolvent Fakulty stavební ČVUT v Praze, kde v současnosti i působí. Podílí se na výuce předmětů zaměřených na energetické systémy budov, vede bakalářské a diplomové práce. Od roku 2013 působí i na UCEEB, kde se spolupodílí na vědeckých projektech, vede a provádí zakázky smluvního výzkumu zaměřené na energetickou náročnost budov a vnitřní prostředí.
prof. Ing. Karel Kabele, CSc.
Vede Katedru technických zařízení budov na Fakultě stavební, ČVUT v Praze. Zastává čelní pozici ve Společnosti pro techniku prostředí, ČKAIT, vedl mezinárodní organizaci REHVA, je autorem mnoha vědeckovýzkumných prací, spoluautor norem, legislativy v oboru aj.
doc. Dr. Ing. Zbyněk Svoboda
Dlouholetý pedagog Fakulty stavební ČVUT v Praze se specializací na tepelnou ochranu budov. Autor souboru programů pro řešení stavebně fyzikálních problémů, spoluautor ČSN 730540-2 (2011). Člen IBPSA. Kromě pedagogické činnosti a vývoje software se věnuje i odborným konzultacím, posudkům a vědeckému výzkumu.
Ing. Ondřej Horák
Působí na Katedře technických zařízení budov Fakulty stavební, ČVUT v Praze. Zaměřuje se především na energetickou náročnost budov.
Starting from January 1, 2023 (in the Czech Republic), on the basis of § 4, paragraph 1 of Decree No. 264/2020 Coll., on the energy efficiency of buildings, it is necessary for buildings or zones with cooling, humidity control or electricity production to calculate the energy efficiency of the building with an interval of one hour. The subject of the article is an approximation of the basic specifics of the hourly step of calculation and a comparison of the results of the calculation and the assessment of energy intensity in the monthly and hourly step of calculation according to the requirements of the applicable legislation.