Problematika energeticky nulových budov – 2. část: Příklad rodinného domu
© Fotolia.com
Metodika stanovení energeticky neutrálních, respektive energeticky nulových domů se na národních úrovních liší. Zájem o realizaci takových domů neovlivňuje jen metodika, ale i tržní poměry v oblasti přesouvání nadbytku produkce energie z jednoho objektu do druhého. Jde o ekonomicky nevýhodné výkupní ceny při dodávce do sítě. Pokud se stávající poměry v České republice nezmění, bude realizace energeticky nulových domů pro investory nezajímavá a potenciál snížení produkce CO2 nebude využit.
Úvod
V předchozí části [1] byly představeny dva koncepty hodnocení energeticky nulových / plusových domů. Jeden systém vychází z informativní přílohy nomy ČSN 730450-2 a hodnotí pouze potřebu neobnovitelné primární energie. Druhý systém hodnocení podle schématu Effizienzhaus Plus (EEH+) navíc přibírá jako další kritérium i hodnocení dodané energie. Byly diskutovány možné problémy s hodnocením roční bilance jako příliš dlouhého časového kroku nezohledňujícího reálně dosažitelné pokrytí spotřeby energie z obnovitelných zdrojů. Na druhou stranu, není to problém samotného systému hodnocení nulových či plusových budov, ale spíše problém praktického hodnocení provozních nákladů, a to zejména tam, kde není možné ekonomicky smysluplně dodávat obnovitelnou energii do nadřazených sítí. Zároveň bylo konstatováno, že v případě snahy o dosažení nulové bilance dodané energie nelze dodanou energii počítat úředním postupem zavedeným v ČR, ale podle německého schématu, tzn. místně produkovaná a využitá obnovitelná energie se od dodané odečítá a jako dodaná energie se tedy uvažuje pouze nakupovaná z externích sítí.
V této části článku se věnujeme výpočtu konkrétního rodinného domu, aspirujícího na dosažení standardu energeticky nulové budovy podle obou systémů hodnocení:
- roční nulová bilance neobnovitelné primární energie nPE
- roční nulová bilance neobnovitelné primární energie nPE a celkové dodané energie cDE
Bude nás zajímat, jaké investiční náklady takové řešení může mít a jaké reálné provozní náklady. Odpověď na ně nám může naznačit, zda energeticky nulové a plusové domy má vůbec cenu za současných podmínek stavět a zda tedy mají v příštích letech nějaké místo na trhu.
Rodinný dům
Do bilance neobnovitelné primární energie a bilance dodané energie pro hodnocení energeticky nulového domu započítáváme veškerou potřebu energie v domě (vytápění, chlazení, větrání, úprava vlhkosti, příprava teplé vody, osvětlení a domácí spotřebiče). Potřeba elektrické energie pro osvětlení a domácí spotřebiče je uvažována dohromady jako tzv. uživatelská elektrická energie.
Bilanční analýza pro dosažení standardu energeticky nulové budovy byla provedena pro malý rodinný dům uvažovaný v nízkoenergetickém (NED) a pasivním (PAS) standardu. Dům je zjednodušeně uvažován s následujícími souhrnnými parametry. Energeticky vztažná plocha objektu je 150 m2, využitelná plocha jižní části střechy je 60 m2. Potřeba tepla na vytápění varianty NED je 7 500 kWh/rok (tj. 50 kWh/m2.rok), potřeba tepla na vytápění varianty PAS je 3 000 kWh/rok (tj. 20 kWh/m2.rok), potřeba tepla na přípravu teplé vody pro uvažované 4 osoby je 3 000 kWh/rok a uživatelská elektrická energie je 3 000 kWh/rok (odvozená z hodnoty 20 kWh/m2.rok používané ve schématu EEH+). Účinnost rozvodu a sdílení tepla je uvažována 90 %. Potřeba energie na chlazení a úpravu vlhkosti není v rodinném domě uvažována. Potřeba energie na větrání je zahrnuta v uvedených bilancích.
Analýza pro dosažení roční nulové bilance
V Tab. 1 je vyčíslena analýza potřeby neobnovitelné primární energie nPE [MWh/rok] a celkové dodané energie cDE [MWh/rok] při použití běžných zdrojů tepla v rodinném domě. Hodnoty u každého zdroje v závorce jsou uvažované sezónní účinnosti zdroje tepla ve výpočtu (vytápění / příprava teplé vody). Kotel na zemní plyn (ZP) je uvažován kondenzační a účinnost 90 % je vztažena ke spalnému teplu (stupeň využití energie zemního plynu). Kotel spalující biomasu (BIO) je peletkový kotel. Tepelná čerpadla jsou mezi zdroji zastoupena nejčastěji využívanými typy země-voda a vzduch-voda. Pro srovnání je jako varianta zdroje tepla uvažován ještě elektrokotel. Zároveň je jak pro neobnovitelnou primární energii nPE, tak pro celkovou dodanou energii cDE vyčíslena potřebná plocha fotovoltaických modulů potřebná pro dosažení roční bilanční nuly. Jako maximální plocha FV systémů je uvažována plocha střechy 60 m2. Zelené podbarvení buňky s plochou FV systému značí dostatečnou plochu střechy pro instalaci FV modulů a tím potenciálně možnost splnění požadavku na energeticky nulovou budovu, červené podbarvení pak nedostatečnou (větší než 60 m2).
| nPE [MWh/rok] | AFV [m2] | cDE [MWh/rok] | AFV [m2] | |
|---|---|---|---|---|
| Kotel na ZP (0,9/0,9) | ||||
| Nízkoenergetický | 23.3 | 52 | 16.0 | 106 |
| Pasivní | 17.1 | 38 | 10.4 | 69 |
| Kotel na BIO (0,85/0,85) | ||||
| Nízkoenergetický | 11.7 | 26 | 16.7 | 112 |
| Pasivní | 10.6 | 23 | 10.8 | 72 |
| TČ země-voda (4,0/2,5) | ||||
| Nízkoenergetický | 19.3 | 43 | 6.4 | 43 |
| Pasivní | 15.5 | 34 | 5.2 | 34 |
| TČ vzduch-voda (3,0/2,5) | ||||
| Nízkoenergetický | 21.3 | 47 | 7.1 | 47 |
| Pasivní | 16.3 | 36 | 5.4 | 36 |
| Elektrokotel (0,98/0,98) | ||||
| Nízkoenergetický | 44.7 | 99 | 14.9 | 99 |
| Pasivní | 29.4 | 65 | 9.8 | 65 |
Na Obr. 1 a Obr. 2 je uvedeno grafické znázornění závislosti nPE a cDE na instalované ploše fotovoltaických modulů, kde ve 2. a 3. kvadrantu dochází k dosažení záporné bilance nPE (schéma podle ČSN 730450-2) a v samotném 3. kvadrantu pak k záporné bilanci cDE a nPE současně (schéma podle EEH+). Instalací fotovoltaických modulů lze v daném rodinném domě dosáhnout zápornou bilanci nPE ve všech variantách zdroje tepla i energetického standardu domu (NED, PAS), vyjma elektrokotle. Dosáhnout současně i záporné bilance cDE lze pouze v kombinaci fotovoltaického systému s tepelným čerpadlem, a to především z důvodu vysoké účinnosti zdroje tepla, resp. topného faktoru. Zároveň opět platí, že danou kombinací lze nulové budovy z pohledu dodané energie dosáhnout jak pro nízkoenergetický, tak pro pasivní standard. V ostatních případech je plocha střechy pro případnou instalaci FV panelů ke kompenzaci dodané energie v ročním bilančním součtu nedostačující. V případě porovnání nízkoenergetického a pasivního domu (Tab. 1) je potvrzeno snadnější dosažení standardu nulové budovy u pasivního domu, pro které vychází menší plocha FV modulů. Nicméně je patrné, že i s nízkoenergetickým domem lze na nulu dosáhnout, neboť potřeba tepla na vytápění je pouze jednou z položek energetické bilance, v případě použití tepelných čerpadel pak výrazně snížená z pohledu dodané energie. Symetrie grafů podle počátku u elektrickou energií poháněných zdrojů tepla na Obr. 1 a Obr. 2 je dána stejným konverzním faktorem pro spotřebu a výrobu elektrické energie.
Výsledky v podstatě odpovídají situaci již postavených demonstračních objektů sítě EEH+ [2]. Naprostá většina využívá jako zdroj tepla tepelné čerpadlo v kombinaci s FV systémem a základním stavebním standardem je řešení na úrovni pasivních domů.
Obr. 1 Roční bilance nPE a cDE pro nízkoenergetický RD při použití různých zdrojů tepla a různých ploch FV systémů (max. 60 m2)
Obr. 2 Roční bilance nPE a cDE pro pasivní RD při použití různých zdrojů tepla a různých ploch FV systémů (max. 60 m2)
Náklady na energeticky nulový dům
Pro další ekonomické analýzy byla uvažována již pouze varianta rodinného domu v pasivním standardu. Byla provedena detailní bilanční analýza potřeby energie rodinného domu počítačovou simulací provozu zdrojů. Z ní pak vycházela bilance reálných provozních nákladů po dobu 15 let (zjednodušeně bez uvažování paušálních plateb, se stálou cenou energie bez navýšení v letech) a celkových investičních nákladů na zdroje energie pro budovu výpočtově splňující požadavky na energeticky nulovou budovu podle obou uvažovaných systémů hodnocení. Z porovnání byl rovnou vyloučen elektrický kotel a ohřev vody elektrickým topným tělesem, neboť s takovým řešením nelze splnit podmínku nulové energetické bilance nPE ani cDE a to ani s největší možnou plochou FV systému. V případě ceny elektřiny je rozlišena cena uživatelské elektrické energie pro případ, že elektřina v domě neslouží pro vytápění ani ohřev vody a cena elektrické energie v levnějším tarifu pro vytápění a ohřev vody (případ s tepelným čerpadlem). Uvažované ceny energií jsou uvedeny v Tab. 2.
| Energonositel | Cena energie [Kč/kWh] |
|---|---|
| Zemní plyn | 1,4 |
| Dřevní pelety | 1,3 |
| Elektřina uživatelská | 4,1 |
| Elektřina vytápění | 2,3 |
| Elektřina výkup do sítě | 0,3 |
Pro bilanci spotřeby a produkce energie byly nejprve provedeny celoroční simulace s využitím celoročního podrobného odběrového profilu uživatelské energie (365 různých dní) [3] s časovým krokem 1 hodina. V případě bilancování provozu tepelných čerpadel byla provedena simulace systému tepelného čerpadla pro vytápění a ohřev vody s využitím tzv. adaptivní regulace, tj. přehřívání objemu kombinovaného zásobníku na vyšší než požadovanou teplotu, pokud je k dispozici dostatečný výkon FV systému [4]. To vede ke zvýšení využití produkce FV elektřiny, než pokud by tepelné čerpadlo bylo provozováno bez regulační vazby na FV systém. Na Obr. 3 jsou zobrazeny výsledky roční simulace FV systému pro krytí pouze uživatelské elektrické energie (uživ) a roční simulace FV systému pro krytí spotřeby elektrické energie tepelného čerpadla a uživatelské energie (TČ+uživ). Je patrné, že s rostoucí instalovanou plochou FV modulů roste solární pokrytí, avšak směřuje k limitní hodnotě, která je samozřejmě daleko od hodnoty 100 %, která by vyžadovala sezónní akumulaci elektrické energie. Zároveň je patrné, jak se snižuje míra využití roční produkce elektrické energie pro krytí potřeby. Zbylou část je nutné exportovat do nadřazené elektrické rozvodné sítě. Roční potřeba nakupované elektrické energie z nadřazené sítě pro daný rodinný dům v závislosti na ploše instalovaných FV modulů je pak ukázána na Obr. 4. Je patrné, že i v případě instalace plochy FV modulů výrazně větší než je potřeba k dosažení nulové bilance energie, bude potřeba významnou část elektrické energie nakoupit. Zároveň je však možné exportovanou část produkce FV systému prodat. Zda potom roční náklady budou nulové, pak závisí na nastavení cen energie (nákup/prodej).
Obr. 3 Bilance FV systému pro krytí pouze uživatelské spotřeby elektrické energie (uživ) a v kombinaci s provozem tepelného čerpadla (TČ+uživ) v rodinném domě
Obr. 4 Potřeba nakupované elektrické energie z nadřazené rozvodné
V Tab. 3 jsou uvedeny rámcové investiční náklady IN na jednotlivé zdroje energie (zdroj tepla, FV systém) v konfiguraci pro dosažení nulové roční bilance neobnovitelné primární energie nPE. Uvažované investiční náklady na instalaci FV systému jsou 30 tis. Kč/kWp. V případě realizace tepelných čerpadel je zároveň splněna i podmínka nulové bilance celkové dodané energie cDE (viz Tab. 1). Zároveň jsou uvedeny provozní náklady PN vycházející ze skutečného využití elektrické energie v rodinném domě (solárního pokrytí stanoveného simulací) a nutného exportu do nadřazené sítě. Vyhodnoceny jsou také celkové náklady CN za 15 let (počáteční investice + provozní náklady za 15 let). Jako doplňkový parametr pro zajímavost je v každé variantě vyčíslena prostá doba návratnosti T instalace FV systému pro dosažení nulového standardu.
| Zdroj tepla | INzdroj [tis. Kč] | INFV [tis. Kč] | PN15 [tis. Kč] | CN15 [tis. Kč] | T [rok] |
|---|---|---|---|---|---|
| Kotel ZP | 30 | 205 | 263 | 498 | 40 |
| Kotel BIO | 60 | 124 | 289 | 473 | 32 |
| TČ země-voda | 200 | 184 | 99 | 483 | 35 |
| TČ vzduch-voda | 120 | 194 | 104 | 419 | 35 |
Z pohledu 15 let se v podstatě všechny varianty jeví jako obdobně nákladné, s výjimkou použití tepelného čerpadla vzduch-voda, které je pro dosažení nulového energetického standardu výrazně levnější. Realizace FV systému pro dosažení nulové bilance nPE přesahuje ve všech případech 30 let. Potřebný FV systém nezbytný pro nulovou budovu významně prodražuje zdroj energie pro rodinný dům a zároveň relativně malá část jeho produkce se v domě využije: zhruba 30 % v případě varianty kotel ZP, 25 % v případě kotel BIO a 36 % v případě TČ.
Závěr
Byla provedena analýza rodinného domu v pasivním a nízkoenergetickém standardu ve smyslu dosažení standardu energeticky nulové budovy podle dvou systémů hodnocení (ČSN 730540-2, EEH+). Pro daný rodinný dům konstrukčně postavený v nízkoenergetickém nebo pasivním standardu nelze s elektrickým vytápěním v současnosti splnit podmínku roční nulové bilance energií. Pro ostatní zdroje tepla lze s použitím různě velkých FV systémů splnit nulovou bilanci neobnovitelné primární energie nPE jak v nízkoenergetickém, tak v pasivním standardu stavebního řešení domu. Nulové bilance celkové dodané energie cDE (schéma hodnocení podle EEH+) je možné dosáhnout pouze řešením s tepelnými čerpadly (země-voda, vzduch-voda) a to jak v nízkoenergetickém, tak v pasivním standardu.
Navržená plocha FV systémů je relativně velká oproti běžné spotřebě elektrické energie, přesto reálně nevede k vysokému solárnímu pokrytí spotřeby elektrické energie v rodinném domě. V řešených variantách zdrojů tepla pro pasivní dům se solární pokrytí pohybuje od 25 do 36 %. Navíc velkou část produkce nevyužité v domě je nutné exportovat do nadřazené sítě s nízkou výkupní cenou. To ovlivňuje roční provozní náklady a nakonec ekonomickou návratnost takového řešení.
Jak již bylo konstatováno v předchozí části článku, bez rozumného nastavení výkupních cen elektrické energie z místních obnovitelných zdrojů energie se rozvoj energeticky nulových budov neobejde. To s sebou nese i změnu přístupu k budovám, nikoli jako osamoceným energeticky soběstačným „pevnostem“, ale budovám propojeným pružně reagujícími sítěmi s ekonomickými modely dodávky energie, které umožňují smysluplné využívání obnovitelných zdrojů v rámci souboru budov v sousedství.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Reference
- NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T.: Problematika energeticky nulových budov – 1. část: Hodnocení a výpočet. TZB-info [online]. Dostupné z: https://stavba.tzb-info.cz/budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/18169-problematika-energeticky-nulovych-budov-1-cast-hodnoceni-a-vypocet
- Strategies for Efficiency Houses Plus. Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB) [online]. Berlín, 2016 [cit. 2018-03-28]. Dostupné z:
https://www.bmi.bund.de/SharedDocs/downloads/EN/publikationen/building/efficiency-houses.pdf - NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T.: Vliv odběrového profilu elektrické energie na bilanci FV systému. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2018, Kroměříž, str. 151–158, Společnost pro techniku prostředí, 2018.
- MATUŠKA, T.; ŠOUREK, B.; SEDLÁŘ, J.: Vytápění a příprava teplé vody s využitím kombinace tepelného čerpadla a FV systému – počítačová simulace, Topenářství, instalace. 2016, L(298), 18–23. ISSN 1211-0906.
The methodology for determining energy-neutral or energy-zero houses is different at national levels. The interest in the realization of such houses is not only influenced by the methodology but also by the market conditions in the area of moving surplus energy production from one object to another. This is an economically disadvantageous purchase price when delivering to the network. If the existing conditions in the Czech Republic are not changed, the implementation of energy-zero houses for investors will not be interesting and the potential for reduction of CO2 production will not be utilized.