Vzduchotechnika v energetickém hodnocení budov
Dnešní energetické systémy a celkové řešení budov způsobuje, že potřeba tepla na vytápění zdaleka nepředstavuje dominantní člen v energetické bilanci budovy. Tepelně technický standard obálky budovy se trvale zvyšuje a nyní se soustředí pozornost na systémy větrání a klimatizace, osvětlení a přípravy teplé vody.
Úvod
Vyhláškou 148/2007 Sb. získává stát mocný nástroj energetické politiky, s jednoznačným cílem úspor všech druhů energií v budovách. Dnešní energetické systémy a celkové řešení budov způsobuje, že potřeba tepla na vytápění zdaleka nepředstavuje dominantní člen v energetické bilanci budovy. Tepelně technický standard obálky budovy se trvale zvyšuje a nyní se soustředí pozornost na systémy větrání a klimatizace, osvětlení a přípravy teplé vody. Právě větrací systémy, zvláště v budovách s vysokými nároky na prostředí, kde je nutno pracovat s vyššími výměnami vzduchu, mají zásadní podíl na celkové spotřebě energie budovy. Vyhláškou [1] předepsané měrné spotřeby energie pro referenční třídu C jsou přísné a jejich dosažení nebude ve všech budovách samozřejmostí.
Nástroje pro ENB
Snaha o komplexní posouzení spotřeby energie vedla nevyhnutelně k tomu, že z původně jednoduchých korelačních metod pro výpočet potřeby tepla se stal rozsáhlý, poměrně nepřehledný výpočet několika energetických systémů budovy za kvazistacionárního stavu s doporučeným hodinovým krokem výpočtu. Jako základní výpočtová forma metodiky slouží NKN, národní kalkulační nástroj [2]. Ať se to z pohledu autorů jeví jakkoli, oplývá excelovský sešit tím, co je pro tuto aplikaci příznačné: nepřeberným množstvím předdefinovaných či prázdných buněk a běžný uživatel aplikací pracujících pod MS Windows propadá při listování sešitem chvílemi nadšení chvílemi beznaději.
Proto bylo uvedení na trh komerčních produktů s uživatelsky příjemnějším prostředím spojeno s velkým očekáváním. První vlaštovkou je program Energie 2008 z řady Svoboda software [3]. Výpočet vychází principielně z obecné metodiky ENB [2], s tím, že základní časovou jednotkou není jedna hodina, ale jeden den, bilanční hodnocení je provedeno po měsících. Toto omezení sice přispívá ke zjednodušení zadávání vstupních hodnot, zároveň však vnáší jistou nepřesnost, protože není možno zhodnotit rozdíl mezi pracovní dobou ve dne (v době vyšších teplot vzduchu) a večer a v noci (v době s nižší teplotou vzduchu). Přesto je to nástroj, kterým lze energetické toky s jistou přesností vyčíslit a vyhotovit průkaz ENB.
Vzduchotechnika v ENB
Jak je obecně známo, vyznačují se vzduchotechnické systémy poměrně vysokou energetickou náročností spojenou s čerpáním tepelné a elektrické energie, popř. chladu. Tím se stává významnou položkou v bilančním hodnocení a v určitých případech to může být právě větrání, které svou enormní potřebou energie způsobí, že se budova jako celek ocitne v nevyhovující energetické třídě. Případy, kdy tento jev nastane, jsou nasnadě: jsou to budovy s vysokými nároky na prostředí, kde k vytvoření tohoto prostředí je nezbytné větrání s vysokými výměnami vzduchu. To se týká zejména čistých prostorů, určených pro zdravotnictví, příp. farmacii nebo náročnou výrobu. Z hodnotící tabulky v příloze 1 vyhlášky [1] vyplývá, že výrobní objekty do tohoto hodnocení nespadají. Problematické se tedy mohou stát objekty zdravotnické výstavby, shromažďovací prostory, nebo sportovní objekty halového typu.
| Typ a popis objektu | Obestavěný prostor (m3) |
Průměrná výměna vzduchu (1/h) |
|---|---|---|
| Budovy občanské výstavby | ||
| Restaurace, kuchyně, hygienické zázemí | 950 | 4,2 |
| Prostory VŠ: Učebny, šatny, kavárna, divadlo, nahrávací studio | 14 000 | 3,2 |
| Kulturní dům: Kinosál, divadelní sál, foyer, bar, šatny, klubovny | 14 100 | 2,9 |
| Restaurace, kuchyně (menší), bowlingová dráha, hygienické zázemí | 2 700 | 2,0 |
| Budova městského úřadu: přepážková hala, podzemní garáže, hygienické zázemí pro návštěvníky | 6 300 | 1,5 |
| Sportovní stavby | ||
| Sportovní centrum: 4x squash, 2x badmington, 2x bowling, posilovna, 2x ricochet, šatny, menší obchod, bar se zázemím | 15 400 | 2,4 |
| Krytý bazén, šatny, vstupní hala, technologické místnosti | 9 500 | 2,1 |
| 2x bowlingová dráha, vstupní chodba | 650 | 1,6 |
| Tělocvična pro 3 tenisové kurty, šatny, zázemí | 22 000 | 1,1 |
| 2x hokejové hřiště, 1x curling, 2x volejbal, restaurace s kuchyní, hotel, vstupní hala | 75 000 | 1,0 |
| Nemocnice | ||
| Operační trakt očního oddělení | 750 | 8,0 |
| 4x OS, zázemí, centrální sterilizace | 8 500 | 6,4 |
| Oddělení JIP | 3 800 | 6,2 |
| 3x OS, ARO, JIP, vyšetřovny, ambulance, příjem pacientů, kanceláře, vodoléčba a bazén, sklady | 22 300 | 5,2 |
| CT, lineární urychlovač, RTG, lůžková část, ambulance | 24 900 | 5,1 |
| Oddělení patologie | 2 100 | 3,3 |
| Lůžková oddělení | 4 600 | 1,5 |
Tab. 1 Průměrná výměna vzduchu v budově podle jejího účelu vypočtené z projektovaných budov
Kritické z hlediska energetické spotřeby vzduchotechnickými systémy budou tedy budovy s celkovou (průměrnou) vyšší výměnou vzduchu. Pro účely objektivního ENB je nutné zónování budovy; stavebně dispoziční řešení ovšem používá stále podobná schémata - k bytům v bytovém domě přináleží jistý podíl chodeb, podobně ve školách učebnám; velikost šaten ve sportovních zařízeních je odvozena od velikosti a počtu sportovních ploch, v nemocnici přináleží k určité velikosti lůžkového oddělení počet sester, z toho se odvíjí pro ně nutný prostor, ke kuchyni se váží sklady potravin a podobně. Všechny tyto funkčně spojené prostory mají shodnou pracovní dobu. Pro základní náhled uvádí tabulka 1 průměrné výměny vzduchu celého objektu zjištěné z konkrétních projektovaných budov za posledních 10 let. Tyto výměny reprezentují standardně užívané návrhové hodnoty pro výpočet průtoku vzduchu a mohou být do značné míry reprezentativní pro určitý typ budovy.
Případová studie ENB s ohledem na vzduchotechniku
K posouzení vlivu spotřeby energie vzduchotechnických systémů na celkovou energetickou bilanci budovy byla s využitím průměrné intenzity výměny vzduchu při standardním dispozičním řešení stavby provedena případová studie fiktivní budovy. Protože není cílem zkoumat vliv obálky budovy, je uvažována jedna velikost stavebního objektu o půdorysných rozměrech 10 x 30 m, s výškou budovy 10 m a členěním na 3 nadzemní podlaží (s výjimkou halových objektů, kde je podlahová plocha poloviční). Průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy činí 0,42 W/m2K. Podíl prosklení fasády činí 32 %, velikost prosklení vůči podlahové ploše 29 %, místo stavby Brno. Z hlediska využití jsou respektovány profily standardizovaného užívání budovy dle [3], odkud je dále bez úpravy s výjimkou bytového domu použita hodnota měrné spotřeby energie na osvětlení. Ostatní spotřeby jsou vypočteny programem Energie 2008 měsíčním bilančním hodnocením s elementárním ověřením správnosti výpočtu denostupňovou metodou. Roční potřeba teplé vody je stanovena dle tab. 3 ČSN 060320 Tepelné soustavy v budovách - příprava teplé vody.
Tabulka 2 uvádí výsledky jednotlivých úloh včetně zatřídění budovy. Potřeba tepla pro ohřev vzduchu je započtena ve spotřebě tepla pro vytápění, energie pro zvlhčování nebo pohon ventilátorů ve "Větrání". Chlazení není předmětem této analýzy a není v žádné úloze uvažováno, přestože by v určitých typech budovy bylo nutností. Tato studie sleduje pouze vliv větrání pro tvorbu zdravého vnitřního prostředí budovy.
Ve všech případech kromě úlohy č. 6 je uvažována v souladu se současným trendem plynulá regulace ventilátoru, tedy vzduchového výkonu. Možnost regulace se pozitivně odrazí v potřebě energie, ovšem pouze elektrické a nikoliv tepelné, přestože snížení (regulace) průtoku vzduchu musí být nutně provázena poklesem potřeby tepla pro ohřev vzduchu. Tuto skutečnost dokumentují vztahy 7 a 8 v [2], vztahy 34 a 35 zahrnující korekci na snížení průtoku venkovního vzduchu se v potřebě tepla pro větrání neuplatní [3]. Tato skutečnost, která se jeví jako opomenutí, má ovšem v celkovém ENB závažné důsledky. Požadavek na řízení průtoku vzduchu podle objektivní potřeby je zakotven v ČSN EN 13 779:2007 Větrání nebytových budov - Základní požadavky. Na druhé straně volba hodnoty korekčního činitele podle tab. 13 [2] může vést k nepřiměřeně optimistickým výsledkům. Výsledky v tab. 2 vypočtené Energií 2008 tuto korekci neobsahují.
Úlohy 1 a 2 porovnávají vliv větrání na celkovou potřebu energie, úlohy 2 a 3 pak úsporu skrytou v užití nuceného větrání. Potřeba tepla na ohřev vzduchu zcela zastiňuje potřebu tepla pro krytí tepelných ztrát prostupem, metodika zohledňuje vnitřní i solární zisky.
Alarmující výsledky však přináší úloha 5, která reprezentuje budovu operačního traktu. Kromě vysoké výměny vzduchu je zde také nepříznivý předdefinovaný profil užívání 24 h denně, 365 dní v roce. Tyto parametry vedou společně s nutností zvlhčování vzduchu ke spotřebě energie třídy E. Tento časový profil se jeví být poněkud nadhodnocený, úloha č. 6 je řešena jako kombinace 12ti hodinového provozu v pracovních dnech a útlumu s 50% vzduchovým výkonem zařízení ve zbývající době. Tato změna provozu vede k zatřídění budovy jako D. I přesto je toto hodnocení nevyhovující.
Další nevyhovující příklad reprezentuje úloha č.10. Halové stavby jako tělocvičny, do jisté míry i shromažďovací prostory s velkou výškou disponují malou plochou podlahy vůči obestavěnému (a větranému) prostoru.
| Číslo úlohy | Druh budovy | Třída ENB | Provozní doba zařízení Hodiny, podíl dne |
Výměna vzduchu | Roční dodaná energie (kWh/m2) |
Třída C referenční hodnota |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vytápění | Větrání | Teplá voda | Osvětlení | Celkem | ||||||
| 1 | Bytový dům (bez větrání) |
B | 24 (100%) 365 dní |
0,0 | 13 | 0 | 43 | 8 | 64 | 120 |
| 2 | Bytový dům (trvalé PV) |
C | 24 (100%) 365 dní |
0,4 | 39 | 0 | 43 | 8 | 90 | |
| 3 | Bytový dům (NV dle potřeby) |
B | 17 (70%) 365 dní |
0,5 | 27 | 4 | 43 | 8 | 82 | |
| 4 | Restaurace vč. kuchyně a zázemí (NV+ZZT) |
C | 14 h (58 %) 317 dní |
4,5 | 102 | 23 | 42 | 17 | 184 | 294 |
| 5 | Operační trakt nemocnice (NV+ZZT,+zvlhčování) |
E | 24 h (100 %) 365 dní |
6,0 | 173 | 137 | 22 | 171 | 503 | 310 |
| 6 | Operační trakt nemocnice (NV+ZZT+zvlhčování) |
D | 17 h (70 %) 260 dní |
6,0 | 104 | 103 | 22 | 110 | 339 | |
| 7 | Lůžkové oddělení nemocnice (NV podtlakové) |
B | 24 h (100 %) 365 dní |
1,0 | 61 | 5 | 52 | 14 | 132 | |
| 8 | Lůžkové oddělení nemocnice (NV+ZZT) |
A | 1,0 | 26 | 11 | 52 | 14 | 103 | ||
| 9 | Lůžkové oddělení nemocnice (NV+ZZT+zvlhčování) |
B | 1,0 | 26 | 21 | 52 | 14 | 113 | ||
| 10 | Sportovní hala se zázemím (NV+ZZT) |
E | 15 h (63 %) 325 dní |
2,0 | 119 | 23 | 69 | 34 | 245 | 145 |
| 11 | Vzdělávací objekt (ZŠ, VŠ) nebo kulturní objekt (kino, divadlo) (NV+ZZT) |
B | 8 h (33 %) 207 dní |
2,5 | 50 | 7 | 11 | 20 | 88 | 130 |
Tab. 2 Bilanční hodnocení budovy s různým využitím s ohledem na VZT
Poznámka: NV ... nucené větrání, ZZT ... zpětné získávání tepla s účinností 50 %
Je udivující, že jednotlivé úlohy, ač řešené větracími systémy s recyklací tepla s minimální hygienickou výměnou vzduchu, poskytují v klasifikaci ENB tak rozdílné výsledky. U bytového domu není obtížné za současného stavu dosáhnout třídy C, při určitých opatřeních třídy B. Naopak nedosažitelný je tento cíl u náročnějších zdravotnických provozů s vyššími výměnami vzduchu. Úlohy 5 a 6 pro budovu operačního traktu poskytují zcela nevyhovující výsledky, naopak úlohy 7 až 8, pro budovu s lůžkovými odděleními, jsou výsledky výborné. Oba provozy jsou z hlediska vzduchotechniky neporovnatelné, přesto spadají z hlediska typu budovy do jedné kategorie "Nemocnice". Pokud bude součástí objektu kromě operačního traktu také lůžkové oddělení s přibližně stejnou podlahovou plochou, hodnocení budovy jako celku zřejmě vyhoví. Pokud budou tyto objekty samostatné, jak mnohdy bývá, jednotlivě náročnější provoz nevyhoví. Přestože se jedná z hlediska skutečné spotřeby energie nemocničního areálu o formální rozdíl, stavební úřad tento pohled nemusí sdílet. Vyhláška globální pohled na výstavbu nenabízí ani neumožňuje.
Pozoruhodná je rovněž úvaha, že zlepšení celkového hodnocení úlohy č. 5 bylo dosaženo zkrácením pracovní doby. Tato úprava sice odráží běžnou praxi při provozování OS, z hlediska celkové zátěže životního prostředí výstavbou je ovšem úspornější využívat budovy v maximální možné míře, aby se zhodnotila energie, která je vázána v materiálu vlastního stavebního díla.
Perspektivy a možnosti ve snižování energetické spotřeby vzduchotechniky
Podle [2] je ENB je nástroj pro hodnocení budovy jako celku, nikoli pro návrh jejich částí. Optimalizace, která se promítne do ENB spočívá pouze ve změně parametrů, které vstupují do tohoto hodnocení. Když pomineme stavební řešení, které je jistě zásadní, na straně vzduchotechniky zbývají tyto možnosti:
- důsledná recyklace tepla z odpadního vzduchu, což je nejvýznamnější faktor ve výpočtu potřeby tepla pro VZT. Zvyšování účinnosti ZZT však naráží na obtížně řešitelné technické problémy, jako je namrzání výměníku na straně odpadního vzduchu nebo velké rozměry zařízení. V současné době se protimrazová ochrana výměníku realizuje měřením a vyhodnocením teploty odváděného vzduchu, přičemž nastavená hodnota je 5 °C. Vychlazení vzduchu pod tuto teplotu znamená aktivaci protimrazové ochrany spočívající v převedení venkovního vzduchu do obtoku výměníku. Účinnost např. 70 % je tedy využitelná při teplotě odpadního vzduchu 20 °C pouze do teploty venkovního vzduchu -1 °C. V tomto ohledu, se mohou více uplatnit tepelná čerpadla vzduch - vzduch vestavěná do VZT jednotek, která v reverzním chodu mohou sloužit i pro chlazení vzduchu.
- zvýšení účinnosti distribuce energie a hmoty zmenšením tepelných ztrát a snížením pomocné energie motorů čerpadel a ventilátorů. To lze prakticky jen zmenšením tlakových ztrát, což obecně má za následek nárůst velikosti potrubí i strojních částí a tím těžko dojde širšího uplatnění. Za pozornost zde stojí vlastnosti některých funkčních prvků, jako jsou výměníky nebo ventilátory, zejména jejich energetická účinnost. Lze očekávat dalšího rozšíření ventilátorů s EC motory.
- regulovatelností vzduchového výkonu, která se pro účely ENB rozlišuje jako žádná (pouze jeden stupeň otáček), tři stupně otáček nebo plynule regulovatelný výkon. Samotná možnost regulace vzduchového výkonu ještě neznamená jeho praktickou využitelnost a měla by být vždy provázena odpovídajícím řešením v systému Měření a regulace. V reálném provozu má dopad na spotřebu energie pro vzduchotechniku samozřejmě také skutečnost, zda se zařízení vůbec provozuje, a nakolik lze jeho provoz řídit dle potřeby a nejlépe automatizovat. U přirozeného větrání se hovoří o tom, že člověk jako uživatel svými smysly není schopen objektivně vyhodnotit potřebu větrání a je tedy vhodné nucené větrání, které se spouští podle pohybu osob, koncentrace CO2 nebo relativní vlhkosti vzduchu. V tomto kontextu rozsáhlé systémy nuceného větrání nebo klimatizace ve velkých budovách, ovládané uživatelem vypínačem, budí rozpačitý dojem. Většina budov má pravidelný provoz podle časového rozvrhu. Každá třída ve škole má individuální režim, tento režim však běží týden co týden po celý školní rok. Proto řízení provozu podle minimálně časového harmonogramu by mělo být automatickou součástí každého řídícího systému pro větrání nebo klimatizaci.
- předehřev vzduchu solárním nebo zemním výměníkem, které v podobě zemního kolektoru je oblíbené u rodinných domů. Pokud jde o rozsáhlejší budovy, je nutné mít na paměti, že zatímco v RD žijí 4 osoby a zemní kolektor se realizuje potrubím o průměru 200 mm, tak pro větrání prostorů pro 100 osob by se zemní výměník stal soustavou 30ti trubek tohoto průměru. U větších budov nalezneme poměrně řídké případy dvojitých solárních fasád, sloužících jako vzduchové kolektory, příkladem je Moravská zemská knihovna v Brně z r. 2001. V tomto kontextu je možné i rozšíření využití OZE z kapalinových kolektorů pro ohřev, spíše však pro předehřev vzduchu.
Závěr
Cílem této analýzy není snižování významu ENB, ale poukázání na potíže, které se při uvádění do praxe vyskytnou. Problematické budou nemocniční objekty s vyššími nároky na prostředí, které lze uspokojit pouze intenzivním větráním. Přípustná spotřeba energie pro nemocnici je pouze 2,6x větší, než pro bytový dům, přičemž průměrná výměna vzduchu je vyšší 12x a kromě uvažovaného teplovzdušného větrání bude nutné i strojní chlazení vzduchu. Z těchto výsledků a celkového hodnocení všech provedených úloh je zřejmé, že hodnotící tabulka ENB ve vyhlášce nevystihuje objektivně potřebu energie pro tvorbu požadovaného vnitřního prostředí v různých typech budov. Na příkladu zdravotnických objektů je patrné, že v pavilónové výstavbě, kdy jednotlivé provozy jsou soustředěny do samostatných budov, lze v ENB očekávat nepříznivé hodnoty pro technologicky náročné provozy jakými jsou operační trakty a příznivé hodnoty pro objekty nenáročné, např. lůžkové pavilony, přičemž oba objekty spadají do jedné kategorie.
Přestože vyhláška [1] hovoří obecně o budovách, hodnotící tabulka uvádí jen budovy obytné a občanské vybavenosti. Budovy výrobní nebo zemědělské zmíněny nejsou. Vzhledem k tomu, že nelze očekávat zmírnění požadavků kladených na prostředí OS a jiných hygienicky náročných prostorů, je v současné době jediným východiskem prostory s vysokými nároky na prostředí, blížící se spíše technologickému než pobytovému prostoru, z hodnocení vyjmout.
Spotřeba energie budovy je vztažena k její celkové podlahové ploše. Je tedy paradoxem, že budovy využívající důsledně celý obestavěný prostor k tvorbě prostředí s vyššími parametry budou hodnoceny hůře než stavby, obsahující plochy s menším nebo jednodušším využitím a tudíž s nízkými nároky, jejichž uspokojení vyžaduje jen malou dodávku energie. Z tohoto pohledu začíná pro nás, vzduchotechniky, nová éra. Dlouhodobý trend vytěsňování strojoven VZT z budov na střechy, fasády nebo terén se možná zastaví. Protože strojovna, zaujímající podle situace 5 až 20 % podlahové plochy budovy, bude z hlediska ENB vítanou zónou - vytápí se na nízkou teplotu, nechladí se, větrá se úsporně, mnohdy odpadním vzduchem, a bude tedy jistě patřit k ideálním členům tepelné bilance budovy.
Literatura
[1] Vyhláška 148/2007 Sb. o energetické náročnosti budov
[2] Urban, Kabele, Adamovský, Kabrhel, Musil: Popis metodiky výpočtu hodnocení energetické náročnosti budov dle vyhlášky 148/2007 Sb., www.tzbinfo.cz
[3] Manuál k programu Energie 2008 (Svoboda software)
Aircondition systems record a heat loss and energy consumption by building operation. It is significant submission in building energy balance. This consumption can cause nonconforming energy building category according to law.