Snížení energetické náročnosti škol a školských zařízení Jihočeského kraje ve Volyni
V roce 2009 byl realizován projekt schválený Ministerstvem životního prostředí ČR pod názvem „Snížení energetické náročnosti škol a školských zařízení Jihočeského kraje ve Volyni“. Cílem projektu bylo komplexní řešení vytápění a úsporných opatření na všech školách a školských zařízeních ve Volyni s důrazem na ekologizaci zdrojů tepla a zachování architektonických hodnot funkcionalistického areálu Vyšší odborné školy a Střední průmyslové školy Volyně v Resslově ulici. Podívejme se na projekt podrobněji.
Projekt byl realizován v roce 2009 po předchozích přípravných pracích od roku 2007. V roce 2007 byla zpracována první studie možností rekonstrukce energetického systému VOŠ a SPŠ Volyně. V souhrnu se jednalo o komplexní rekonstrukci zdrojového, distribučního a spotřebitelského systému celkem 13 objektů převážně školského charakteru, náhradu parního distribučního systému teplovodním, snížení instalovaného výkonu zdrojů, propojení dvou původních tepelných zdrojů, využití spalování fytomasy v podobě dřevní štěpky, využití soustrojí kogenerační jednotky a tepelného čerpadla a komplexní zateplení objektů školy s respektováním doporučených hodnot prostupu tepla dle ČSN 730540-2 2007.
1. Úvod
Obr. 1 Informační tabule o projektu
Až do ledna 2009 zajišťovaly vytápění škol a školských zařízení dvě kotelny. Kotelna na Děkanském vrchu, která zásobovala teplem a teplou užitkovou vodou domovy mládeže obou volyňských středních škol, areál Dětského domova Volyně, Školní jídelnu Volyně i obě budovy Základní školy Volyně, spalovala hnědé uhlí, měla instalovaný výkon 4,2 MW a topným médiem byla teplá voda. Druhým zdrojem byla nízkotlaká parní kotelna na lehký topný olej v areálu VOŠ a SPŠ Volyně s instalovaným výkonem 2,3 MW. V rámci projektu byly obě kotelny nahrazeny centrálním zdrojem tepla v objektu kotelny na Děkanském vrchu, který připravuje teplo v kombinaci spalování fytomasy, plynu, tepelného čerpadla a kogenerační jednotky a má instalovaný výkon 2,74 MW. Ve všech vytápěných objektech byly zřízeny nové předávací stanice a uskutečnila se kompletní rekonstrukce teplovodních rozvodů k nim. Areál VOŠ a SPŠ Volyně byl připojen novou samostatnou teplovodní větví v poměrně nepřístupném a členitém terénu.
Pro všechny objekty areálu byl zpracován energetický audit a výstupem z něj byl návrh opatření ke snížení spotřeby energie, který byl dále rozčleněn na opatření beznákladová (organizační apod.), nízkonákladová (např. v rámci údržby) a vysokonákladová (investice). Přestože některá navrhovaná opatření řešila jednotlivé části areálu samostatně a dílčí opatření bylo možné realizovat separátně, výsledný optimální přínos energetických úspor i technická funkčnost jednotlivých opatření byla nutně podmíněna jejich současnou realizací. Samostatné řešení dílčích částí i opatření bylo v energetickém auditu chápáno jako řešení konzervativní s nejmenším účinkem a s nejvyššími náklady.
Beznákladová opatření byla charakterizována jako opatření spojená s organizací celého výrobního i nevýrobního provozu. V průběhu prací na energetickém auditu nebyly shledány možnosti uplatnění beznákladových opatření. Potenciál úspor beznákladových opatření byl již před auditem vyčerpán opatřeními ve smyslu sledování a pravidelného vyhodnocování spotřeb energií.
Nízkonákladová opatření byla charakterizována jako opatření v rámci údržby, úpravy smluv, změny tarifů apod. Nízkonákladová úsporná opatření se vyznačují nízkými, nebo žádnými investičními náklady na jejich pořízení. V průběhu prací na energetickém auditu nebyly shledány možnosti uplatnění nízkonákladových opatření. Potenciál úspor nízkonákladových opatření byl již před auditem vyčerpán opatřeními ve smyslu správného chování při obsluze a údržbě energetických spotřebičů.
Vysokonákladová opatření byla charakterizována jako opatření jak s vysokými investičními náklady, tak s dlouhou dobou návratnosti, zvláště u stavebních opatření. Úsporná opatření ve stavební části objektů nejsou ve většině případů financovatelná pouze z výnosu energetických úspor. Šlo zvláště o případy zanedbané údržby, kdy byl přínos podmíněn jak realizací energeticky úsporného opatření, tak dalšími nutnými pracemi. V řadě případů bylo ale obě možnosti financování – z úspor a z údržby spojit.
Na základě navržených úsporných opatření byly vydány protokoly k energetickému štítku obálky budov „po rekonstrukci“ a jim odpovídající štítky obálky budov. Podle jejich výsledků bylo realizováno zateplení a výměna oken objektů domovů mládeže a areálu VOŠ a SPŠ Volyně. U objektů domovů mládeže (varianta panelového systému T 06 B) byla navržena plastová okna a klasický zateplovací fasádní systém. U areálu VOŠ a SPŠ Volyně, kde nesměl být narušen funkcionalistický ráz budovy z třicátých let minulého století, byla v souladu s vyjádřením NPÚ České Budějovice z roku 2007 navržena okna hliníková. V rámci rekonstrukce byla provedena i celková výměna nízkotlaké parní otopné soustavy v celém areálu a její náhrada teplovodní soustavou.
Vstupem do hodnocení přínosů zateplení jednotlivých objektů byla opatření s cílem dosažení hodnoty průměrného prostupu tepla na úroveň doporučeného součinitele prostupu tepla Uem,rc . V konkrétních případech jednotlivých objektů se jedná o následující hodnoty tepelné izolace svislých konstrukcí, zateplovaných střech a průměrných prostupů tepla otvorovými výplněmi. Pro všechny objekty byly v energetickém auditu předepsány otvorové výplně s koeficientem prostupu tepla průhledných částí 1,1 W/m2K, což v konečném důsledku činí průměrný prostup celého okna na úrovni 1,5 W/m2K. Pro objekty domovů mládeže činila požadovaná tloušťka izolace svislých konstrukcí 140 mm, u objektů školy pak 120 mm. Pro všechny zateplované objekty byl požadavek na celkovou tloušťku tepelné izolace střech 200 mm. Při splnění těchto podmínek v projektové dokumentaci došlo k očekávaným přínosům ve smyslu snížení nákladů na vytápění objektů, které byly definovány v energetickém auditu. Údaje k součiniteli (činiteli) prostupu tepla Ui [W/(m2K)] v protokole k energetickému štítku uvedené v příloze energetického auditu se vztahují k proskleným částem otvorových výplní. Konečná hodnota prostupu tepla celého okna je závislá na materiálu a provedení rámů a velikosti oken, tzn. že u plastových oken lze očekávat koeficient prostupu tepla na průměrné úrovni 1,4 W/m2K a u hliníkových oken použitých u funkcionalistických objektů školy bude dosaženo průměrné hodnoty 1,61 W/m2K.
Obr. 2 Protokol k energetickému štítku budovy školy po rekonstrukci
Obr. 3 Energetický štítek obálky budovy – hlavní budova školy
| Celkové náklady na realizaci projektu | 126 640 777 Kč | |
| Celkové schválené uznatelné náklady | 94 957 071 Kč | |
| Dotace EU z OPŽP (85 % z uznatelných nákladů) (Operační program Životní prostředí, oblast podpory 3.2 – Realizace úspor energie a využití odpadního tepla u nepodnikatelské sféry) | 80 713 510 Kč | |
| Dotace SFŽP ČR / státního rozpočtu (5 % z uznatelných nákladů) | 4 747 854 Kč | |
| Termíny realizace projektu | – zahájení | 01. 01. 2009 |
| – dokončení | 30. 11. 2009 | |
| Investor | Jihočeský kraj | |
| Energetický audit | SEVEN o.p.s. České Budějovice Ing. Gustav Kodl | |
| Zpracovatel projektu pro stavební povolení | AIP Plzeň spol. s r.o. Ing. arch. Karel Salát | |
| Realizační firma | METROSTAV a.s. vedoucí projektu Ing. Petr Šimák stavbyvedoucí Ing. Otto Hrodek | |
| Technický dozor investora | LIMEX CB a.s. Ing. Libor Kulíř | |
| Realizací došlo | ke snížení emisí CO2 | o cca 3 080 t/rok |
| k úspoře energie | cca 9 473 GJ/rok | |
Obr. 4 Letecký pohled na staveniště škol a školských zařízení
2. Vlastní zateplení a výměna oken
Půdorysně i hmotově se jedná o dominantní stavbu v lokalitě města Volyně, ovlivňuje svým působením samotnou památkovou zónu a prostředí jejích nemovitých kulturních památek. Přestože nebyl areál před rekonstrukcí prohlášen nemovitou kulturní památkou, byla nutnost zachování architektonických hodnot v kontextu ke kulturně historickému prostředí města nepopiratelná.
Budova školy byla postavena v roce 1933 jako železobetonový skelet s vyzdívanými stěnami z plných cihel tloušťky 600 mm a 450 mm. Na svou dobu moderní řešení obvodového pláště, oken i navazujících detailů bylo však také poplatné možnostem tehdejších poznatků, technologií a sortimentu stavebních výrobků a v dnešních podmínkách naprosto nevyhovovalo tepelně technickým požadavkům, hygienickým předpisům a vzhledem k praskání okenních tabulí a opadávání vnějších omítek ani bezpečnostním předpisům.
Fasáda školy byla původní, opět z roku 1933. Během používání byla pouze lokálně opravována, a to jen v místech dilatačních spár či mechanického poškození. Velmi nevhodná úprava fasády byla provedena v roce 1988. Záměrem tehdy byla estetická úprava již nevzhledné povrchové vrstvy. Na původní omítku byla nastříkána omítková směs s proměnným obsahem latexu. Vznikla tak málo propustná vrstva, která zabránila difúzi par pod nástřikem. Pod touto vrstvou v zimním období zamrzala zkondenzovaná pára a nástřik se odlupoval. Na četných místech byla omítka separována od obvodového pláště a hrozil její pád. Kromě tohoto mechanického poškození se projevovalo i další rozšíření výkvětů a skvrn od minerálních solí pod nástřikem a fasáda byla neestetická. Dalším faktorem vedoucím ke zhoršení kvality omítek byly klempířské prvky, které byly již stářím značně poškozené a zprohýbané a docházelo pod nimi k zatékání dešťové vody do fasády.
Obr. 5 Areál před rekonstrukcí (prosinec 2008)
Obr. 6 Areál po rekonstrukci (leden 2010)
Obr. 7 Schéma členění a osazení nového okna
Obr. 8 Detail kotvení okna – nadpraží
Obr. 9 Detail kotvení okna – ostění
Téměř všechna okna hlavní budovy měla atypické konstrukční řešení odpovídající funkcionalistickému vzhledu budovy. Přibližně je možné konstrukční řešení původních oken rozdělit na dvě základní skupiny – v části dílen byla okna kovová s nosným rámem, do kterého byly buď vsazeny okenní tabulky v samostatných úhelníkových rámečcích bez těsnění, nebo byly tabulky pevně zaskleny přímo do rámu. Vždy se jednalo o zasklení dvojité, spáry ve vyjímatelných částech byly ovšem naprosto bez jakékoliv možnosti těsnění – tabulky byly pouze mechanicky zajištěny háčky. Ve zbývajících částech budovy byla použita okna konstrukčně řešená jako dřevěná, opláštěná kovovými pásky. Okna byla dvojitě zasklená, ale těsněná pouze v jedné drážce uzavíratelné speciálním pákovým mechanismem s výsuvnou kovovou lištou. Drážka okna byla navíc opatřena olověnou trubičkou pro lepší těsnění spáry. Okna byla dělená, zhruba do jedné čtvrtiny výšky pevně zasklená, ve zbývající části otočná a doplněná pod nadpražím speciálními větracími mřížkami opět ovládanými pákovým mechanismem. Vzhledem ke stáří oken (původní z roku 1933) byly pákové mechanismy již značně zkorodované, částečně nefunkční i přes pravidelnou a náročnou údržbu. V posledních letech docházelo vzhledem k již malé tuhosti rámů křídel oken k velmi častému praskání skleněných výplní. Protože nebylo možné utěsnit spáry a ventilační mřížky, bylo velmi obtížné zajistit tepelnou pohodu požadovanou hygienickými předpisy. Navíc docházelo i k nadměrné kondenzaci vody na okenních výplních a následnému zatékání vody až do dřevěné konstrukce oken i dalších navazujících stavebních konstrukcí. Při prudkých deštích doprovázených větrem do budovy netěsnostmi oken zatékalo a docházelo k poškozování dřevěných podlah v učebnách.
Vzhledem ke stáří oken, jejich tepelně technickým vlastnostem a s přihlédnutím k finanční náročnosti a efektivitě oprav byla jediným řešením výměna všech oken. Pro zachování funkcionalistického vzhledu budovy a s přihlédnutím k velikosti jednotlivých oken a možnosti zachování stávajícího členění byla navržena po konzultaci s NPÚ České Budějovice náhrada oken novými s hliníkovým rámem z tříkomorových profilů a s přerušeným tepelným mostem. Požadavkem bylo nejen zachování stávajícího členění, ale i poměru mezi tloušťkou hliníkových rámů a dělících prvků a rozměry skleněných výplní.
Na základě požadavků energetického auditu a hodnoty průměrného prostupu tepla zohledňujícího velikosti oken byla následně navržena tloušťka izolace kontaktního zateplovacího systému a tloušťka tepelné izolace do střešního pláště. Z navržené tloušťky izolace kontaktního zateplovacího systému (120 mm) a současně požadavku na zachování tzv. „mělkého“ ostění (80 milimetrů) charakteristického pro funkcionalistické stavby, vyplynuly požadavky na netypický detail kotvení okna mimo nosnou konstrukci až do tepelné izolace. Toto řešení však prakticky zcela eliminovalo tepelný most v oblasti kotvení oken k nosné konstrukci.
Pro objektivní posouzení tepelně technických vlastností původního obvodového pláště bylo před rekonstrukcí provedeno termovizní měření fasády celé budovy a pro porovnání jsou na následujících obrázcích snímky fasády před rekonstrukcí a po rekonstrukci včetně termovizních snímků před a po zateplení. Na termovizních snímcích stavu před rekonstrukcí jsou zřetelně patrny prokreslující se sloupy a stropní konstrukce. Průměrná povrchová teplota těchto železobetonových konstrukcí byla větší o cca 2 °C než průměrná povrchová teplota vyzdívek. Průměrné teploty ve všech oblastech jsou výrazně vyšší než teplota v exteriéru při měření (0 °C). Železobetonovými konstrukcemi a vyzdívkami docházelo za daných okrajových podmínek k výrazným tepelným ztrátám. Velkými tepelnými mosty bylo i nadpraží oken a rámy oken a zasklívací spára. Z orientačního výpočtu vyplynulo, že součinitel prostupu tepla vyzdívek hlavní budovy byl 1,7 W/m2K a součinitel prostupu tepla v místě železobetonových nosných prvků byl 2,2 W/m2K.
Obr. 11 Východní průčelí před rekonstrukcí (listopad 2005)
Obr. 12 Východní průčelí po rekonstrukci (leden 2010)
Obr. 13 Severní a východní průčelí před rekonstrukcí (listopad 2005)
Obr. 14 Severní a východní průčelí po rekonstrukci (leden 2010)
Obr. 15 Západní průčelí před rekonstrukcí (listopad 2005)
Obr. 16 Západní průčelí po rekonstrukci (leden 2010)
3. Centrální kotelna na Děkanském vrchu
Obr. 17 Kotel na spalování fytomasy
Obr. 18 Kogenerační jednotka
Obr. 19 Kondenzační kotle na plyn v předávacích stanicích na patách jednotlivých objektů
V centrální kotelně na Děkanském vrchu je po její přestavbě instalována nová technologie:
- Kotel na spalování fytomasy včetně dopravy paliva do kotle, čištění spalin a napojení teplovodních výstupů na strojovnu kotelny s výkonem 1,3 MW.
- Plynové kondenzační kotle koncipované na pokrytí špičkových odběrů tepla a dále jako záloha při odstavení kotle na spalování biomasy (každý s výkonem 0,65 MW).
- Tepelné čerpadlo v provedení vzduch / voda o tepelném výkonu 100 kW s možností provozu do venkovní teploty 0 °C
- Kogenerační jednotka pro pokrytí vnitřní spotřeby elektrické energie při provozu kotle na spalování biomasy. V letním období pak svým provozem zajišťuje podstatnou část dodávky elektrické energie pro chod tepelného čerpadla a zároveň svým tepelným výkonem zajišťuje navýšení teploty topné vody pro ohřev TUV. Instalovaný elektrický výkon 25 kW, odpovídající tepelný výkon 47 kW.
V zimním období je hlavním zdrojem tepla kotel na spalování fytomasy a pouze při špičkové potřebě tepla je doplňován kotli na plyn. Současně s kotlem na spalování fytomasy je v provozu i kogenerační jednotka, která pokrývá kompletní spotřebu elektrické energie v kotelně. V letním období je pro přípravu teplé užitkové vody využíváno tepelné čerpadlo a kotle na plyn. I pro provoz tepelného čerpadla je zdrojem elektrické energie kogenerační jednotka. Teplá užitková voda je připravována
Součástí kotelny je i krytý sklad štěpky s kapacitou cca 650 prm štěpky. Pro přímé zásobování kotle slouží denní sklad s kapacitou 55 prm štěpky. Rozvod k objektům je realizován jako dvoutrubkový s neregulovanou vodou a celoročním ohřevem TUV přímo v zásobovaných objektech. Větev pro areál VOŠ a SPŠ Volyně bude v období mimo topnou sezonu uzavřena.
Celý provoz kotelny je řízen systémem měření a regulace s možností on-line změny parametrů a dálkovým spínáním jednotlivých zdrojů tepla. Rovněž předávací stanice na patách jednotlivých objektů umožňují dálkovou změnu parametrů a možnost řídit vytápění jednotlivých větví podle rozvrhu vyučování a pružně reagovat na všechny změny související s provozem školy.
Obr. 20 Měření a regulace části zdrojů tepla
Specifikem celé akce byla její realizace za provozu všech objektů škol a školských zařízení ve Volyni, což bylo velmi náročné na koordinaci generálního zhotovitele stavby, subdodavatelů a všech školských subjektů. S výjimkou čtyř dnů byla po celou dobu realizace zajištěna dodávka tepla a teplé užitkové vody a nebyla přerušena výuka v žádném školském zařízení.
4. Závěr
Cílem projektu byla v prvé řadě minimalizace vstupního množství energie a nákladů na energie při zachování maximálního komfortu tepelné pohody v objektech a při zachování ekonomické stability celého energetického systému školy. Současně byl sledován další parametr – dosažení maximálních úspor CO2 jako jednoho z hodnotících kritérií dotačních titulů SFŽP v roce 2007/2008.
Celá rekonstrukce měla vliv nejen na efektivitu dodávek tepla pro potřeby ÚT a TV do jednotlivých objektů, ale došlo i k zásadnímu snížení vznikajících škodlivých látek. Ze sledovaných základních škodlivých látek lze analyzovat snížení tuhých látek ve výši 13 tun/rok. V případě emisí CO2 došlo rekonstrukcí k úspoře 2,8 tis. tun/rok.
Využitelnost tohoto opakovatelného pilotního projektu je ve všech větších systémech CZT či místních energetických systémů škol, nemocnic, komerčních areálů s přihlédnutím k jejich energetickým bilancím. Opakovatelnost projektu v pozměněné podobě je v současné době ovlivněna „biomasovým“ boomem, který má za následek zdražení komodity biomasy jako vstupního energetického nositele.
5. Literatura
- Energetický audit VOŠ a SPŠ Volyně pro optimalizaci výroby, distribuce, spotřeby energie a minimalizace emisí základních znečišťujících látek a skleníkových plynů s využitím alternativních a obnovitelných zdrojů energie (září 2007).
The paper deals with complex solution of heating and economy measures regarding ecology of heat sources and preservation of architectural values of the Volyně college-complex. This solution also includes padding warm and exchange of windows in all complexes. New technology in boiled room was installed with application of boiler for fytomass-burning, gas condensation boilers, thermal pump in system air/water and cogeneration unit for supply electric energy.