Výpočtové modely hodnocení pasivních domů v podmínkách ČR

1 Postup řešení

1.1 Modelové objekty

Parametrické studie byly zpracovány pro čtyři navržené modelové objekty, které zastupují nejběžnější typy obytných staveb. Objekty byly pro účely parametrických studií záměrně geometricky zjednodušeny. Nejsou zamýšleny jako budovy, které by měly být skutečně realizovány.

Tab. č. 1: Základní vlastnosti navržených modelových objektů

Malý izolovaný RD (MO1-EFH)
Upravená podlahová plocha (ATFA)*	101,3 m2
Střední hodnota U	0,16 W/(m2.K)
Měrná potřeba tepla na vytápění**	19 kWh/(m2.a)
Řadový RD (MO1-RH)
Upravená podlahová plocha (ATFA)*	505,0 m2
Střední hodnota U	0,18 W/(m2.K)
Měrná potřeba tepla na vytápění**	12 kWh/(m2.a)
Velký izolovaný RD (MO2)
Upravená podlahová plocha (ATFA)*	163,9 m2
Střední hodnota U	0,16 W/(m2.K)
Měrná potřeba tepla na vytápění**	15 kWh/(m2.a)
Menší BD (MO3)
Upravená podlahová plocha (ATFA)*	884,1 m2
Střední hodnota U	0,18 W/(m2.K)
Měrná potřeba tepla na vytápění**	8 kWh/(m2.a)
* Upravená podlahová plocha ATFA se používá ve výpočtech podle PHPP. Jedná se o obytnou plochu uvnitř tepelné obálky určenou podle německé vyhlášky Wohnflächenverordnung. Do obytné plochy patří podlahové plochy všech místností, které jsou výlučnou součástí bytu. Do obytné plochy nepatří např. schodiště, vyzdívky, sloupy, výklenky dveří a oken [5]. ** Hodnoty pro výchozí stav ve stanovišti Hradec Králové.

1.1.1 Vlastnosti ochlazované obálky

Při návrhu konstrukcí a řešení skladeb byla respektována doporučení Passivhaus Institutu Darmstadt pro návrh pasivního domu, tj.:
U ≤ 0,15 W/(m²K)
ψ ≤ 0,01 W/(mK)
U_w ≤ 0,80 W/(m²K)

Tab. č. 2: Tepelnětechnické parametry ochlazovaných konstrukcí

Konstrukce	Součinitel prostupu tepla U [W/(m2.K)]	Tepelná izolace
		Materiál	Tloušťka [mm]
Obvodová stěna	0,125	Minerální vata (kolmá vlákna)	300
Střecha	0,102	Kamenná vlna	min. 400
Podlaha na terénu	0,155	Drť z pěnového skla (+ deska z minerální vaty)	600 (+50)

1.2 Volba klimatických dat

Pro provedené parametrické studie byla zvolena klimatická data pro lokality:

1. Hradec Králové,
2. Ostrava,
3. Praha,
4. Kuchařovice,
5. Cheb,
6. Kramolín,
7. Červená,
8. Pec p. S.,
9. Churáňov
   (zdroj: Meteonorm).

Jako referenční klima bylo zvoleno klima pro Hradec Králové. Bohužel pro české lokality není, především pro sluneční záření, zatím k dispozici příliš spolehlivých údajů. Nepřesnost dat tak způsobuje určitou nejistotu ve výsledcích.

1.3 Způsob hodnocení a hodnocené vlastnosti

Pro každý modelový objekt byl nejdříve připraven tzv. „výchozí stav“, který je základem pro každou parametrickou studii, ve které je měněn jeden nebo kombinace dvou či tří parametrů.

Pro hodnocení byla použita výpočetní metoda PHPP vyvinutá v německém Passivhaus Institutu Darmstadt speciálně pro navrhování pasivních domů.

V rámci této práce byl sledován vývoj měrné potřeby tepla na vytápění, tepelné ztráty a solární zisky a četnost nadměrných teplot v letním období. Primární energie nebyla stanovována, protože závisí ve značné míře na způsobu přípravy teplé vody a na zdroji vytápění. Předpokládá se, že u dobře navrženého pasivního domu s potřebou tepla na vytápění pod 15 kWh/(m²a) lze požadavek na primární energii 120 kWh/(m²a) splnit.

2 Problém splnění 15 kWh/(m²a) u malých rodinných domů

2.1 Optimalizace

Objekt MO1-EFH ve výchozím stavu překračoval limit pro pasivní standard dle PHPP, tzn. jeho měrná potřeba tepla na vytápění byla vyšší než 15 kWh/(m².a). Proto byla provedena jeho optimalizace. Formou dílčích parametrických studií byla hledána vhodná opatření pro dosažení pasivního standardu. Nejvýraznější potenciál pro zlepšení představuje, s ohledem na výrazný podíl na tepelných ztrátách prostupem tepla (cca 40 %), obvodová stěna. Přehled nutných opatření je znázorněn v Tab. č. 3.

Tab. č. 3: Přehled optimalizačních opatření pro objekt MO1-EFH

	Výchozí stav		Po optimalizaci
Opatření	stěna	střecha	stěna	střecha
Součinitel tepelné vodivosti λ tepelné izolace  [W/(m.K)]	0,040	0,042	0,036	0,036
Tloušťka d tepelné izolace [mm]	300	400	320	450
Součinitel prostupu tepla U konstrukce [W/(m2.K)]	0,13	0,10	0,11	0,08
Úprava vlastností zasklení	Ug = 0,6 W/(m2.K), g = 0,51		Ug = 0,6 W/(m2.K), g = 0,55
Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/(m2.a)]	18,9		14,5

2.2 Vliv urbanistického řešení

Porovnání modelových objektů rodinného domu obdobné velikosti a obdobného uspořádání se stejnými skladbami ochlazovaných konstrukcí ukázalo, že dům má při uspořádání jako řadový dům cca o 7 kWh/(m²a) nižší měrnou potřebu tepla na vytápění než izolovaný rodinný dům.

Z výsledků studie se zdá být řadový dům vhodným kompromisem mezi bytem a izolovaným rodinným domem.

Pro urbanistické uspořádání řadové zástavby rodinných domů jsou vhodné úzké dlouhé pozemky, aby si objekty vzájemně nestínily, s orientací fasád řadového domu na jih a sever.

3 Parametrické studie

Na Obr. č. 3 je znázorněn přehled parametrů, které byly obměňovány na modelových objektech v rámci provedených parametrických studií. Pro každý modelový objekt byl nejdříve připraven tzv. výchozí stav. V každé parametrické studii vychází vlastnosti modelového objektu z tohoto výchozího stavu a některá z daných vlastností (parametrů) či jejich kombinace je obměňována. Do několika parametrických studií byly zahrnuty i modelové objekty s upravenými hodnotami součinitele prostupu tepla obálky budovy na úroveň požadavku a doporučení dle ČSN 73 0540-2:2007.

3.1 Studie č. 1: Změna velikosti oken

V rámci této parametrické studie byla u jednotlivých objektů obměňována velikost, resp. plocha oken, a to od plochy odpovídající polovině základní plochy oken ve výchozím stavu (FF 50 %) až na 1,5násobek (FF 150 %) základní plochy. Změna velikosti byla provedena ve dvou variantách – jednak pro okna na všech fasádách (tj. varianta č. 1, přerušovaná čára v grafu č. 2), jednak pouze pro okna na hlavní, tedy jižně orientované, fasádě (tj. varianta č. 2, plná čára v grafu č. 2).

Výsledky jsou patrné z grafu č. 2. Potřeba tepla na vytápění pro FF 150 % je cca o 1/3–1/4 nižší než výchozí hodnota (FF 100 %). Výsledky pro obě posuzované varianty se liší jen nepatrně, což potvrzuje, že není rozumné zvětšovat jiná než jižně orientovaná okna. Není to výhodné nejen ekonomicky, ale ani z hlediska letního komfortu budovy.

MO1-EFH reaguje na změnu velikosti oken velmi výrazně v porovnání s objektem MO3. Ukazuje to, jak důležitá je kompaktnost budovy. Zdá se, že kompaktnost je v českém klimatu důležitější než samotné klima.

Graf č. 3 a Tab. č. 4 uvádějí vývoj měrné potřebě tepla na vytápění (pro lokalitu Hradec Králové) při různém typu zasklení a úrovni tepelnětechnické kvality ochlazovaných konstrukcí modelového objektu MO2.

Tab. č. 4: Vliv kvality zasklení a tepelnětechnické kvality obálky na měrnou potřebu tepla na vytápění

Vlastnosti objektu		Potřeba tepla na vytápění [kWh/m2a]
Tepelnětechnická kvalita obálky objektu MO2	Kvalita oken	pro FF 50 % *)	pro FF 150 % *)	Rozdíl	Změna o [%]
1. Pasivní standard	trojsklo	18	13	−5	−28 %
2. Pasivní standard	dvojsklo	28	31	+ 3	+11 %
3. Standardní objekt,    U hodnoty dle doporučení ČSN 73 0540-2:2007	dvojsklo	88	80	−8	−11 %
4. Standardní objekt,    U hodnoty dle požadavku ČSN 73 0540-2:2007	dvojsklo	109	96	−13	−12 %
*) FF 50 %, resp. FF 150 % ... plocha oken odpovídá polovině, resp. 1,5násobku základní plochy oken ve výchozím stavu

3.2 Studie č. 2: Změna orientace objektu

V této parametrické studii se mění orientace fasád objektu. Ve výchozím stavu byla nejvíce prosklená fasáda orientována na jih. Graf ukazuje na příkladu MO1-EFH sinusový průběh potřeby tepla na vytápění při změně orientace.

Především malé objekty reagují na změnu orientace citlivě. Při otočení malého objektu o 180° (tj. na sever) jeho potřeba tepla na vytápění vzroste o 7–10 kWh/(m²a). Odchýlení o ±15° od jihu ovlivňuje potřebu tepla na vytápění a solární zisky jen velmi málo. S větší odchylkou se hodnoty rychle mění.

Při nevýhodné orientaci budovy už velikost oken nehraje příliš významnou roli. Potřeba tepla na vytápění budovy s hlavní fasádou na sever s velikostí oken 50 % a 150 % základní plochy se odlišují o pouhých 1–4 kWh/(m²a). V případě nevýhodné orientace objektu jsou vhodnější menší okna, a to platí i v případě oken s trojskly.

V reakci budovy na změnu orientace nehraje tepelnětechnická kvalita obálky budovy až tak velkou roli. I hodně zateplené objekty prostě potřebují solární zisky. Vliv solárních zisků je nezanedbatelný – tvoří 50–70 % celkových tepelných zisků budovy.

Byla hledána opatření, která by vyrovnala zvýšenou potřebu tepla na vytápění vlivem nevýhodné severní orientace objektu – viz Tab. č. 5. Nežádoucí navýšení potřeby tepla bylo kompenzováno většími tloušťkami tepelné izolace nebo použitím tepelné izolace s lepšími tepelnětechnickými parametry.

Tab. č. 5: Opatření přispívající k pokrytí zvýšené tepelné ztráty objektu vlivem nevýhodné orientace

Místo: Hradec Králové
Modelový objekt	Potřeba tepla na vytápění (bez vlivu tepelných vazeb) [kWh/(m2a)]			Opatření
	A. výchozí stav	B. při otočení objektu o 180°	Přírůstek v %	Varianta 1: navýšení tloušťky tepelné izolace [mm]	Varianta 2: lepší součinitel tepelné vodivosti λ tepelné izolace [W/mK]
Malý RD (MO1-EFH)	22	35	+59 %	stěna: +250 střecha: +300 podlaha: +400	stěna: 0,02 střecha: 0,02
ŘRD (MO1-RH)	13	16	+24 %	stěna: +100 střecha: +150	stěna: 0,03 střecha: 0,03
RD 2 (MO2)	18	25	+45 %	stěna: +150 střecha: +300 podlaha: +100	stěna: 0,025 střecha: 0,025
BD (MO3)	9	12	+36 %	stěna: +100 střecha: +300	stěna: 0,028 střecha: 0,028
MO1-RH – rotace o 90°		18	+ 33 %	stěna: +150 střecha: +250 podlaha: +100	stěna: 0,027 střecha: 0,027

Z tabulky je patrné, že opatření u malého rodinného domu (MO1-EFH) by musela být velmi extrémní, téměř nereálná.

Především malé, nekompaktní, objekty vyžadují výhodnou orientaci ke světovým stranám.

3.3 Studie č. 3: Změna tepelnětechnické kvality objektu

V této parametrické studii je upravována tepelnětechnická kvalita obálky budovy. Studie obsahuje několik menších analýz, ve kterých se mění tloušťka tepelné izolace nebo její tepelná vodivost, případně přímo hodnota součinitele prostupu tepla U celé konstrukce.

3.3.1 Změna tloušťky tepelné izolace

Graf znázorňuje vývoj potřeby tepla na vytápění (pro lokalitu Hradec Králové) při změně tloušťky tepelné izolace od 100 mm do 500 mm.

Je patrné, že ve všech případech hraje zateplení obvodové stěny nejvýznamnější úlohu z hlediska potřeby tepla na vytápění.

Průběh je hyperbolický. Od tloušťky cca 300 mm už se měrná potřeba tepla příliš nemění.

U malých, nekompaktních budov lze při změně tloušťky tepelné izolace z 300 mm na 400 mm ušetřit až 4 kWh/(m²a). Stejné úspory tepla lze dosáhnout při zlepšení účinnosti rekuperace z 65 % na 90 % nebo snížením vnitřní teploty z 22 °C na 20 °C. Tloušťky tepelné izolace nad 400 mm ale nemají smysl ani u malých budov, potřeba tepla klesá už jen velmi pozvolna.

3.3.2 Tepelná vodivost tepelně izolačního materiálu

Součinitel tepelné vodivosti tepelné izolace stěny, střechy a podlahy byl měněn od hodnoty 0,032 W/(mK) do 0,042 W/(mK) v intervalu 0,002 W/(mK), tloušťka zůstala nezměněna.

Potřeba tepla na vytápění se mění lineárně a dopad této změny je u všech modelových objektů velmi podobný. Chování budovy v tomto případě tedy příliš nezávisí na typu (kompaktnosti) budovy. Zlepšení tepelné vodivosti z hodnoty 0,042 W/(m.K) na hodnotu 0,032 W/(m.K) snížilo měrnou potřebu tepla na vytápění o 22 % výchozí hodnoty.

V Tab. č. 6 jsou uvedeny výsledné hodnoty měrné potřeby tepla na vytápění pro lokalitu Hradec Králové. V posledním sloupci je uvedeno, v jakém rozptylu se zlepšení hodnot v rámci ČR pohybovalo.

Tab. č. 6: Potřeba tepla na vytápění při použití tepelněizolačního materiálu ve stěně a střeše s lepší tepelnou vodivostí

Objekt	Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/m2a]
	λ = 0,042 W/mK	λ = 0,032 W/mK	Rozdíl Δ	Podíl [%]	Rozptyl výsledků pro ČR [kWh/m2a]
MO1-EFH	22,9	17,8	5,1	78 %	5–7
MO1-RH	13,5	10,7	2,8	79 %	3–4
MO 2	18,1	13,9	4,2	77 %	4–6
MO 3	9,2	7,2	2,0	78 %	2–3

3.4 Studie č. 4: Porovnání se standardními objekty

Bylo provedeno porovnání objektu s hodnotami součinitele prostupu tepla ochlazovaných konstrukcí (stěna, střecha, podlaha na terénu, otvorové výplně) vhodnými pro pasivní domy (viz kap. 1.1.1) a objektu s hodnotami na úrovni požadavku, resp. doporučení dle ČSN 73 0540-2:2007. Pro tzv. „standardní objekty“ byly samostatně stanoveny též lineární činitele prostupu tepla tepelných vazeb. Použité hodnoty U jsou uvedeny v Tab. č. 7. Procenta uvedená v závorce vyjadřují podíl dané konkrétní hodnoty U a normového požadavku. I u standardních objektů se předpokládá mechanické větrání, avšak bez rekuperace.

Tab. č. 7: Hodnoty U pro studii č. 4

Varianta	Charakteristika	Hodnota U [W/m2K]
		stěna	střecha	podlaha
A	Výchozí stav – hodnoty U vhodné pro pasivní domy	0,13 (33 %)	0,10 (42 %)	0,13 (30 %)
B	Požadavek dle ČSN 73 0540-2:2007	0,38	0,24	0,45
C	Doporučení dle ČSN 73 0540-2:2007	0,25 (66 %)	0,16 (67 %)	0,3 (67 %)
D	Extrémně nízké hodnoty U	0,10 (26 %)	0,08 (33 %)	0,09 (20 %)

Měrná potřeba tepla na vytápění modelového objektu ve výchozím stavu je cca o 80–90 % nižší, než u totožného objektu s konstrukcemi na úrovni požadavku ČSN 73 0540-2:2007. Vztah mezi hodnotami U a potřebou tepla je lineární.

Tepelná ztráta prostupem tepla okny v domě s požadovanými hodnotami U odpovídá cca 1/5–1/3 celkových tepelných ztrát neprůsvitnými konstrukcemi. V pasivním domě je poměr tepelných ztrát okny a neprůsvitnými konstrukcemi téměř 1:1. U vysoce tepelně izolovaných objektů je kvalita oken velmi důležitá.

3.5 Další vybrané parametrické studie

3.5.1 Kvalita oken

V rámci této parametrické studie byly obměňovány součinitel prostupu tepla rámu U_f, součinitel prostupu tepla zasklení U_g a solární faktor g samostatně a v kombinacích. Tepelná ztráta oken je důležitější než zisky ze slunečního záření. Tzn. hodnota g má na výslednou měrnou potřebu tepla na vytápění menší vliv než U_f  a U_g.

Velký vliv má způsob osazení okna do konstrukce. Špatná instalace může zvýšit výslednou měrnou potřebu tepla na vytápění až o 30 %.

3.5.2 Stínění

Horizontální přesah hraje roli z hlediska letního komfortu zejména na východně a západně orientovaných oknech. U malých budov (cca 2–3 podlaží) se objekty při odstupu nad 25 m již vzájemně téměř neovlivňují. To je hodnota, která by měla být brána v potaz při přípravě urbanistického řešení obytné lokality se zástavbou samostatně stojících nebo řadových rodinných domů.

Velká okna reagují na delší horizontální přesah citlivěji. Horizontální přesah představuje účinné opatření proti letnímu přehřívání a současně má malý vliv na měrnou potřebu tepla na vytápění. Přesah 0,75–1 m je obvykle dostatečný proti letnímu přehřívání.

3.5.3 Větrání

Využití rekuperace tepla stírá rozdíly mezi různými klimaty v České republice. Čím větší objem a tím pádem vyšší kompaktnost objekt má, tím nižší je tepelná ztráta prostupem. To znamená, že tepelné ztráty větráním se o to výrazněji projevují právě u větších budov. Pokud budova není vybavena zpětným získáváním tepla z odpadního vzduchu, tepelné ztráty větráním činí 1/3 z celkových tepelných ztrát, zbytek připadá na tepelné ztráty prostupem. Pokud je osazena rekuperační jednotka s účinností 88 %, tepelná ztráta větráním tvoří pouze 10 % z celkových tepelných ztrát.

3.5.4 Vnitřní teplota

Potřeba tepla na vytápění se zvyšuje s rostoucí vnitřní teplotou exponenciálně. Pokud se vnitřní teplota zvýší z 15 °C na 25 °C, tepelné ztráty se přibližně zdvojnásobí.

4 Závěry

4.1 Geometrie objektu

Parametrické studie prokázaly, že vedle tepelnětechnické kvality objektu představuje kompaktnost nejdůležitější vlastnost s výrazným vlivem na potřebu tepla na vytápění. Typ objektu má v českém klimatu dokonce větší význam než samotné klima. Nekompaktní objekty, ač s kvalitně zateplenou obálkou, reagují na všechny změny citlivěji. U malých rodinných domů je splnění požadavku 15 kWh/(m²a) nejobtížnější. Potřeba tepla na vytápění u izolovaného RD (MO1-EFH) vychází o cca 7 kWh/(m²a) vyšší než u kvalitativně i velikostně obdobného řadového domu. Na základě těchto výsledků lze řadový dům označit za výhodný kompromis mezi samostatně stojícím rodinným domem a bytovým domem, který sice může nabídnout nejkompaktnější tvar, ale ve většinové společnosti v současnosti panuje touha po vlastním domě.

Tab. č. 8: Faktor tvaru modelových objektů

Označení	Popis	Faktor tvaru A/V [m2/m3]
MO 1-EFH	Malý izolovaný RD	0,77
MO 1-RH	Řadový RD	0,51
MO 2	Velký izolovaný RD	0,69
MO3	Menší BD	0,40

4.2 Klimatické podmínky

Potřeba tepla na vytápění pro stanoviště do 500 m n. m. (tj. 66 % českého území) je vzájemně velice blízká, liší se do 20 %. Klimata ve stanovištích Hradec Králové, Ostrava, Praha lze označit za mírná. Chladné klima zastupují meteorologické stanice Pec pod Sněžkou, Červená a Churáňov. Nejvyšší měrná potřeba tepla na vytápění (Pec p. S.) je cca o 50 % vyšší než ta nejnižší (Kuchařovice). Ve slunečných lokalitách objekt výrazněji reaguje na změnu vlastností (a nejen těch, které bezprostředně souvisí se slunečním zářením). Většina českých lokalit ale není příliš slunečná a intenzity dopadajícího slunečního záření jsou podobné. Teplota se ukazuje pro energetickou bilanci jako důležitější než sluneční záření. Přesto nelze význam solárních zisků zanedbat. Právě u objektů s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění tvoří solární zisky významnou složku energetické bilance.

4.3 Orientace ke světovým stranám

Vliv solárních zisků je nezanedbatelný. Tvoří 50–70 % celkových tepelných zisků objektu.

Z hlediska slunečního záření reaguje dobře zateplený objekt na změnu orientace výrazněji. Kde nelze zajistit vhodnou, nejlépe jižní, orientaci pasivního domu, musí být obálka budovy tepelnětechnicky vysoce kvalitní, což objekty prodražuje. U malých objektů je orientace pro energetickou bilanci velmi důležitá. Pokud nelze orientovat hlavní fasádu na jih, může být v některých případech nemožné, za předpokladu rozumné tloušťky stěn a rozumných investičních nákladů, dostat měrnou potřebu tepla na vytápění pod 15 kWh/(m²a). Při severní orientaci takového malého objektu je třeba počítat se zhoršením potřeby tepla na vytápění o 7–10 kWh/(m²a).

4.4 Shrnutí

V České republice lze postavit pasivní dům s měrnou potřebou tepla na vytápění do 15 kWh/(m²a), ale důsledný a optimalizovaný návrh je zejména u malých rodinných domů extrémně důležitý. Kompaktní objekty poskytují při návrhu větší volnost, protože nereagují na změnu parametrů tak citlivě. Velikost oken sice neovlivňuje potřebu tepla na vytápění tak silně jako kompaktnost nebo tepelnětechnická kvalita, ale stále dost na to, aby se vyplatila její optimalizace.

5 Literatura

• [1] POCHMANOVÁ, P. Diplomová práce „Výpočtové modely hodnocení pasivních domů v podmínkách ČR“. Praha, 2010, 189 s. (pozn.: vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Jan Tywoniak /FSV ČVUT/ ve spolupráci s Prof. Wolfgangem Feistem /Universität Innsbruck/)
• [2] Protokollband Nr. 19, Arbeitskreis konstengünstige Passivhäuser Phase II, Stadtplanerische Instrumente zur Umsetzung von Passivhäusern, Heruasgeber: Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut, Darmstadt 2000
• [3] Protokollband Nr. 21, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Phase III, Architekturbeispiele: Wohngebäude, Heruasgeber: Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut, Darmstadt 2002
• [4] www.passiv.de
• [5] Passivhaus Institut, PHPP 2007: Navrhování pasivních domů /Passivhaus Projektierungs Paket/ PHPP 2007 CZ (pozn.: překlad do češtiny – Centrum pasivního domu)