Vliv energetické bilance budov v hodnocení metodikou SBToolCZ – statistické vyhodnocení studentských projektů
Cílem tohoto článku je poukázat na stále narůstající důležitost komplexního hodnocení energetické bilance staveb a prezentovat na souboru studentských prací výsledky v této oblasti, které lze užít pro nastínění základních souvislostí a představy o současném dopadu českých obytných budov na životní prostředí.
Úvod
Energie je základní komoditou k uspokojení civilizačních potřeb moderní společnosti. Vzhledem k trendu výstavby budov s menšími energetickými nároky na provoz roste důležitost energetické náročnosti ostatních fází životního cyklu. Proto je třeba komplexně vyhodnotit dopady na životní prostředí životního cyklu dané budovy. A navíc je třeba hodnotit i další dopady, které se spotřebou energie souvisí – například globální oteplování, acidifikaci, eutrofizaci, aj. Všechny tyto indikátory jsou součástí národní certifikační metodiky SBToolCZ [1], přičemž právě jedním z jejích z cílů je podpora snižování energetické náročnosti budov a zmírnění dopadů staveb na životní prostředí v průběhu životního cyklu budovy.
Cílem tohoto článku je poukázat na stále narůstající důležitost komplexního hodnocení energetické bilance staveb a prezentovat na souboru studentských prací výsledky v této oblasti, které lze užít pro nastínění základních souvislostí a představy o současném dopadu českých obytných budov na životní prostředí.
SBToolCZ pro obytné budovy
Metodika SBToolCZ je založena na multikriteriálním hodnocení a rozsah kritérií se liší dle typu budovy a dle fáze životního cyklu, ve kterém hodnocení probíhá. Tento článek se dotýká staveb pro bydlení, proto bude dále zkratkou SBToolCZ míněno pouze schéma pro hodnocení rodinných a bytových domů [4]. Schéma pro obytné budovy ve fázi návrhu hodnotí 33 kritérií ve čtyřech skupinách, přičemž tento článek se zabývá detailně jen čtyřmi kritérii ve skupině environmentálních kritérií. Podrobnější popis metodiky je k dispozici ve zdrojích [1], [4] nebo [5].
Pozn.: Na počátku roku 2013 bude k dispozici revidovaná verze SBToolCZ pro obytné budovy s tím, že bude samostatná metodika pro bytové domy a samostatná pro domy rodinné (ve verzi z roku 2010 [4] se hodnotí tyto typy obytných budov shodně).
Energetická náročnost provozu budovy a výroby použitých materiálů se v metodice SBToolCZ projevuje hned v několika kritériích – ta jsou uvedena v Tab. 1.
| Kritérium | Indikátor |
|---|---|
| E.01 Potenciál globálního oteplování (GWP) | Ekvivalentní emise oxidu uhličitého |
| E.02 Potenciál okyselování prostředí (AP) | Ekvivalentní emise oxidu siřičitého |
| E.03 Potenciál eutrofizace prostředí (EP) | Emise oxidů dusíku |
| E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů | Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů |
Váhový podíl těchto kritérií na celkovém hodnocení budovy ukazuje Tab. 2.
| Kritérium | Váha |
|---|---|
| E.01 Potenciál globálního oteplování (GWP) | 7,5 % |
| E.02 Potenciál okyselování prostředí (AP) | 3,0 % |
| E.03 Potenciál eutrofizace prostředí (EP) | 1,0 % |
| E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů | 10,5 % |
Z Tab. 2 je zřejmé, že provozní energetická náročnost budovy a její konstrukčně-materiálové řešení (které souvisí s environmentálním dopadem fáze výroby a výstavby) může ovlivnit celkový výsledek u kritérií s celkovou váhou 22 %. Tak značný vliv na celkovou dosaženou úroveň komplexní kvality nemá žádný jiný hodnocený parametr budovy.
Ve většině sledovaných kritériích se hodnotí dvě fáze životního cyklu budovy, a to výstavba a provoz budovy (Tab. 3), přičemž je ve výpočtech zohledněna i životnost konstrukcí. Fáze výstavby v sobě zahrnuje i fázi výroby stavebních materiálů.
| Kritérium | Fáze | |
|---|---|---|
| Výstavba | Provoz | |
| E.01 Potenciál globálního oteplování (GWP) | hodnotí se | hodnotí se |
| E.02 Potenciál okyselování prostředí (AP) | hodnotí se | hodnotí se |
| E.03 Potenciál eutrofizace prostředí (EP) | nehodnotí se | hodnotí se |
| E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů | hodnotí se | hodnotí se |
K hodnocení těchto kritérií je především nutné mít výpočty energetické bilance budovy (průkaz energetické náročnosti budovy), informace o energonositelích dílčích energetických spotřeb a výkaz výměr.
Ve fázi výstavby se vyčísluje spotřeba primární energie a emise vznikající při výrobě materiálů vztažené na jeden rok životnosti daného materiálu v konstrukci (metodika uvažuje délku životního cyklu budovy 50 let). Pro stanovení environmentálních vlastností materiálů se v SBToolCZ používá katalog konstrukcí [6] a databáze Envimat [2].
V provozní fázi se hodnotí spotřeba primární energie a produkce emisí vznikající v důsledku spotřeby energie na provoz budovy. Pro přepočet konečné spotřeby energie na primární energii v kritériu E.09 se užívají konverzní faktory převzaté z lineárního bilančního modelu GEMIS s českou databází [3]. Pro výpočty ekvivalentních emisí v kritériích E.01, E.02 a E.03 slouží emisní faktory, které jsou taktéž převzaty z databáze GEMIS.
![Graf 1: Normalizační křivka pro kritérium E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů [4]](/docu/clanky/0093/009398o1.png)
Graf 1: Normalizační křivka pro kritérium E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů [4]
Tam kde se hodnotí obě fáze, tak se hodnoty z fáze provozu a výstavby navzájem sčítají a následně vztahují na jednotku užitné podlahové plochy – metodika totiž pracuje s funkční jednotkou 1 m2 užitné podlahové plochy, neboť užívá komparativní způsob hodnocení. Cílem každého vyhodnocení dílčího kritéria je tzv. normalizace, kdy se hodnota indikátoru převede pomocí normalizační křivky (Graf 1), která je definována kriteriálními mezemi (Tab. 4), na body ve stupnici 0 až 10 (10 = nejlepší stav).
| Kritérium | Jednotka | 0 bodů | 10 bodů |
|---|---|---|---|
| E.01 Potenciál globálního oteplování (GWP) | kg CO2,ekv/(m2.a) | ≥ 65 | ≤ 15 |
| E.02 Potenciál okyselování prostředí (AP) | kg SO2,ekv/(m2.a) | ≥ 0,120 | ≤ 0,040 |
| E.03 Potenciál eutrofizace prostředí (EP) | kg NOx/(m2.a) | ≥ 0,100 | ≤ 0,015 |
| E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů | MJ/(m2.a) | ≥ 1100 | ≤ 300 |
Popis hodnoceného souboru budov
V rámci výuky předmětu „CH09 – Trvale udržitelná výstavba“ magisterského studijního programu na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně a předmětu Integrované navrhování budov na Fakultě stavební Českého vysokého učení technického v Praze hodnotil každý student svoji stavbu pro bydlení (rodinný, nebo bytový dům). Soubor staveb posuzovaných na VUT v Brně představovaly bakalářské práce studentů, u pražských studentů to byly navíc také projekty z praxe. Některá kritéria byla pro omezené možností a rozsahu výuky zjednodušena, jedná se především o některá kritéria ze skupiny Sociálních kritérií a ze skupiny kritérií Ekonomika a management. Přes to, že tato kritéria v tomto článku nejsou blíže popisována a ani z nich nejsou vyvozovány žádné závěry, mají vliv na výsledné hodnocení objektu. Tento vliv se neprojeví nijak zvlášť významně, již vzhledem k tomu, že environmentální kritéria, která představují 50 % výsledku, zjednodušována nebyla a ze skupiny sociálních kritérií byla zjednodušena 2 až 3 kritéria z 11 (váha sociálních kritérií je 35 %).
| Počet hodnocených projektů | Školní rok | Vysoká škola |
|---|---|---|
| 71 | 2010/2011 | ČVUT v Praze |
| 50 | 2011/2012 | ČVUT v Praze |
| 52 | 2011/2012 | VUT v Brně |
Je seriozní poznamenat, že výsledky zde prezentované jsou zatíženy určitými chybami, které souvisejí se zpracovateli – tedy studenty, kteří se s metodikou setkali poprvé a nelze od nich očekávat bezchybná a neomylná práce. Nicméně studentské práce zde prezentované byly pravidelně konzultovány a většina chyb byla napravena. Navíc závěry tohoto článku jsou podloženy i dalšími zkušenostmi – jako jsou například skutečně provedené certifikace a dosud provedené případové studie vývojového týmu SBToolCZ na Fakultě stavební, ČVUT v Praze.
Analýza výsledků z hodnocených budov
Celkový počet hodnocených budov byl 173. Z nich nejvyšší ohodnocení – zlatý certifikát – obdržela pouze jediná budova. Stříbrných certifikátů bylo 26. Bronzového certifikátu bylo dosaženo ve 115 pracích a 31 projektů získalo základní certifikát – Graf 2. Tabulka Tab. 6 prezentuje dosažené bodové skóre u sledovaných kritérií u budovy se zlatým certifikátem a střední hodnotu (aritmetický průměr) a medián ze všech prací.
Graf 2: Četnosti jednotlivých druhů certifikátu v souboru hodnocených budov
| Kritérium | Zlatý certifikát | Střední hodnota | Medián |
|---|---|---|---|
| E.01 Potenciál globálního oteplování (GWP) | 9,2 | 3,4 | 3,0 |
| E.02 Potenciál okyselování prostředí (AP) | 9,1 | 3,5 | 3,9 |
| E.03 Potenciál eutrofizace prostředí (EP) | 9,2 | 4,7 | 5 |
| E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů | 10 | 4,7 | 4,9 |
Interpretace výsledků je ukázána na řadě grafů, které především ukazují vazby mezi fází výstavby a fází provozu a souvislosti s hodnotami indikátoru a výsledným certifikátem. U většiny grafů nejsou pro lepší přehlednost zobrazeny všechny hodnocené objekty.
Prezentace výsledků v grafech, kde je na vodorovné ose hodnota sledovaného parametru ve fázi výstavby (tzv. svázané hodnoty) a na svislé ose hodnota z provozní fáze, má své opodstatnění. Nižší dopady ve fázi provozu si mohou totiž vyžádat vyšší dopady ve fázi výstavby. Např. pasivní dům spotřebuje více tepelné izolace, než-li dům standardní, což se jistě projeví na vyšší spotřebě energie na výrobu užité izolace. Nicméně, když se vezme v potaz budova jako celek (což prezentované studie berou), tak lze konstatovat, že to takto nemusí vždy platit. Navíc tyto typy grafů zároveň mohou posloužit pro představu poměru dopadů ve fázi výstavby a provozu. U současných „standardních“ budov lze spatřit, že převládá provozní fáze, u budov, které jsou energeticky na velmi nízké úrovni jsou pak poměry mezi provozní fází a fází výstavby vyrovnané.
Nejprve na Grafu 3 osvětleme ještě jednou princip hodnocení kritéria E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů. Výsledná hodnota indikátoru je součtem primárních energií z fáze výstavby a z fáze provozu. V grafu tak lze vyčlenit barevná pole tak, že je patrné, kolik bodů hodnocená budova obdrží při daném stavu spotřeb energie (tento graf je de facto podrobnějším zobrazením kriteriálních mezí uvedených na Graf 1). Je tak i vidět, že pro optimalizaci projektu za účelem dosažení co nejvyššího počtu bodů, je stále zatím nejvyšší potenciál ve snaze snižovat energetickou provozní náročnost, než se snažit redukovat co nejvíce spotřebu energie ve fázi výstavby.
Graf 3: Spotřeba energie dle kritéria E.09 u souboru sledovaných budov pro bydlení
Při analýze výsledků kritéria E.01, které hodnotí množství ekvivalentních emisí oxidu uhličitého, lze pozorovat, že většina projektů obytných staveb vykazuje měrnou roční produkci emisí CO2,ekv v rozmezí mezi 20 až 70 kg/(m2.a) při měrné roční svázané produkci 2 až 13 kg CO2,ekv/(m2.a). Dále je také vidět, že pokud má budova měrnou roční produkci emisí vyšší než 50 kg CO2,ekv/(m2.a), tak nedosáhla na lepší certifikát, než-li je bronzový. Naopak všechny budovy se stříbrným certifikátem vykazují měrnou roční produkci emisí pod hranicí 40 kg CO2,ekv/(m2.a).
Například dům na souřadnicích [6,3; 13,2 kg CO2,ekv/(m2.a)] (Graf 4) je rodinný dům v energetické třídě B a s kotlem na peletky. Tyto hodnoty emisí odpovídají zisku 9,1 bodu v kritériu E.01. Toto řešení je pro vyšší zisk bodů v oblasti environmentálních kritérií dobré, nicméně dům dosáhnul pouze na bronzový certifikát kvality. To je dáno nenaplněním požadavků v jiných oblastech udržitelné výstavby (např. v některých sociálních a ekonomických kritériích). Tento princip je platný obecně a je i dílčím závěrem této studie. Toto tvrzení lze prokázat na budově se zlatým certifikátem. Ten obdržel bytový dům a v kritériu E.01 má zisk jen o desetinu bodu více (9,2). Toho dosáhnul za situace, kdy nosný systém je stěnový železobetonový, energetická náročnost odpovídá třídě A, přičemž energie na vytápění a přípravu teplé vody je kryta centrální kotelnou na zemní plyn, částečnou potřebu energie kryjí i solární kolektory a malý podíl na spotřebě elektrické energie má i fotovoltaický systém.
U mediánu vzorku si lze potvrdit fakt již výše řečený. Vidíme, že produkce emisí CO2,ekv v provozu je 5–6krát vyšší, než-li při výstavbě. Naopak u budovy energeticky velmi úsporné se zlatým certifikátem je tento poměr mnohem menší – provozní emise jsou jen 1,8krát vyšší než emise vzniklé ve fázi výstavby.
Graf 4: Hodnoty produkce emisí CO2,ekv
Zajímavé, ale ani ne překvapivé, je na vzorku budov to, že budovy se základním certifikátem vykazují malý bodový zisk u kritéria E.01, budovy s bronzovým certifikátem dosahují celé možné škály zisků bodů, stříbrné certifikáty mají již pouze budovy s vyšším ohodnocením a u zlatého je prakticky podmínkou, aby měla budova velmi malý dopad v tomto environmentálním kritériu – Graf 5.
Graf 5: Závislost výsledného certifikátu na kritériu E.01 Potenciál globálního oteplování
Výše zmíněné vazby a principy ukazují u kritérií E.02 a E.09 další grafy – Graf 6 a 7.
Graf 6: Hodnoty produkce emisí SO2,ekv
Například jedna z nejlepších budov v environmentálním dopadu acidifikace – tedy budova zobrazená v Grafu 6 na souřadnicích [0,01; 0,015 kg SO2,ekv/(m2.a)] – získala bronzový certifikát. Tento rodinný dům má obvodové stěny řešeny z tvárnic systému ztraceného bednění z tvárnic tvořených expandovaným polystyrenem a vnitřní zdivo je tvořeno vápenopískovými tvárnicemi. Pro vytápění a ohřev TUV využívá systémů na zemní plyn. Objekt vykazuje kategorii A energetické náročnosti budov. Aby tento objekt dosáhl vyššího certifikátu, měl by se autor projektu zaměřit také na kritéria ze skupiny „Ekonomika a management“ a dále například zlepšit tepelnou stabilitu objektu a jeho prostorovou flexibilitu.
Graf 7: Závislost mezi měrnou roční spotřeba primární energie a měrnou roční svázanou spotřebou energie
Na základě Grafu 8 se lze domnívat, že větší budovy (dle užitné podlahové plochy) vykazují menší rozptyl ve svázaných spotřebách energie, a to z důvodu podobného materiálového a konstrukčního řešení, které je u těchto budov současné době nejčastější. Oproti tomu u budov s menší podlahovou plochou (RD) je tento rozptyl větší, neboť se reálně provádějí v daleko širším materiálovém a konstrukčním spektru. A obecně vyšší hodnoty svázaných energií u RD jsou zapříčiněny známou skutečností, že menší budovy spotřebují více konstrukčních materiálů na jednotku užitné plochy, než-li budovy rozsáhlejší.
Graf 8: Závislost měrné roční svázané spotřeby energie a užitné podlahové plochy
Pár konkrétních příkladů: Rodinný dům na souřadnicích [190 m2; 14 MJ/(m2.a)] v Grafu 8 je řešen jako zděný dvoupodlažní objekt z pórobetonových tvárnic. Pro vytápění a ohřev teplé užitkové vody je navržen kotel na zemní plyn. Rodinný dům při hodnocení energetické náročnosti spadá do kategorie A. Objekt na souřadnicích [392 m2; 25 MJ/(m2.a)] je také dvoupodlažní zděný rodinný dům. Pro nosný systém byly zvoleny keramické tvárnice. Tento dům používá pro vytápění a ohřev užitkové vody rovněž zemního plynu. Stejně jako předchozí objekt i tento spadá do třídy A energetické náročnosti. To, proč druhý objekt získal vyšší certifikát (stříbrný), než objekt první, je zapříčiněno mimo jiné tím, že druhý objekt využívá dešťovou vodu, řeší nakládání s odpadem vzniklým z provozu budovy, je zhotoven z většího podílu recyklovaných, recyklovatelných a obnovitelných materiálů a vykazuje vyšší tepelnou pohodu v zimním i letním období.
Závěr
Z uvedeného souboru 173 studentských prací a obecně ze zkušeností z dosud certifikovaných projektů, lze vyvodit několik závěrů.
Projekty hodnocené studenty byly často nejen jejich vlastní, ale i z praxe. Převažující certifikáty ze souboru byly bronzové. To ovšem neznamená, že současná výstavba je opravdu na této, již nadstandardní, úrovni. Zkušenosti z hodnocení ukazují, že standardní projekt, který lze definovat jako mající energetickou třídu C a nevyužívání OZE a bez základní aplikace principů udržitelné výstavby, na bronzovou úroveň nedosáhne. Nicméně stačí několik uvědomělých zásahů do návrhu a již za žádných, či malých vícenákladů lze bronzové úrovně dosáhnout. Stupeň stříbrného certifikátu je již obtížnější a zlatý certifikát již obnáší kvalifikované naplnění většiny požadavků metodiky SBToolCZ. Tuto obtížnost potvrzuje skutečnost, že tento certifikát obdržela ve výuce pouze jedna budova ze 173 a v době vydání tohoto článku aspiruje v procesu reálné certifikace na úroveň zlatého certifikátu teprve první budova z celkového počtu 19 dosud certifikovaných – aktuálně viz web systému SBToolCZ [1] – kapitola Vydané certifikáty.
Dílčím důležitým závěrem je tedy skutečnost, že energetická náročnost sice ovlivňuje poměrně vysokou vahou celkové skóre, ale pro dosažení vysoké komplexní kvality je třeba rovnoměrně naplnit i jiná kritéria, než ta environmentální. A to je právě ten rozdíl, který si současná praxe stále plně neuvědomuje.
Kritérium E.09 Spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů, které má ze sledovaných kritérií největší vliv na výsledné hodnocení ukazuje, že stále velké procento navrhovaných staveb má výrazně vyšší roční spotřebu primární energie oproti svázané energii. Při analýze výsledků z tohoto kritéria se také potvrdilo, že čím větší měrnou roční spotřebu primární energie budova má, úměrně tím větší produkuje emise CO2,ekv.
Na základě tohoto článku a obecně ze zkušeností z již provedených certifikací lze říci, že pro dosahování vysoké úrovně komplexní kvality (udržitelnosti) je třeba nejen snižovat energetickou náročnost budovy, ale také využívat obnovitelné zdroje energie. Nedílnou součástí této snahy ale musí být i návrh budovy v souladu s dalšími parametry udržitelné výstavby – např. s komfortem užívání stavby, s kvalitou vnitřního prostředí, tepelným, akustickým a vizuálním komfortem, apod.
Jinými slovy: přes zabývání se energetickou náročností by se nemělo zapomínat na to, že budova má být praktická, bezpečná a musí poskytovat zdravé vnitřní prostředí a dostatečný komfort.
Zdroje
- [1] ČVUT V PRAZE, Fakulta stavební. Národní nástroj pro certifikaci kvality budov SBToolCZ [online]. 2010 [cit. 2012-08-15]. Dostupné z: www.sbtool.cz
- [2] ČVUT V PRAZE, Fakulta stavební. Envimat [online]. Praha, 2010 [cit. 2012-08-15]. Dostupné z: www.envimat.cz
- [3] Öko-Institut. GEMIS (Global Emission Model for Integrated Systems) [počítačový program]. Ver. 4.7. Institut pro aplikovanou ekologii (www.oeko.de). Freeware.
- [4] VONKA, M. & kolektiv: Metodika SBToolCZ – manuál hodnocení bytových staveb ve fázi návrhu. Praha, 2010. ISBN 978-80-01-04664-7
- [5] Vonka, M.: Český nástroj pro certifikaci kvality budov SBToolCZ a první certifikovaná budova X-LOFT. TZB-info: portál pro technická zařízení budov [online]. 21. 2. 2011, Dostupné z: www.tzb-info.cz. ISSN 1801-4399.
- [6] WALTJEN, T.: Passivhaus-Bauteilkatalog. Ökologish bewertete Konstruktionen. Wien: Springer-Verlag, 2008. ISBN 3211297634.
The aim of this article is to highlight the ever increasing importance of a comprehensive evaluation of the energy balance of buildings and present a set of results of student work in this field which can be used for explanation the basic relations and ideas about the current impact of the Czech residential buildings on the environment.