Drevená budova zrubovej konštrukcie: komplexná predikcia a kvantifikácia spotreby energie

Úvod

Na samotný proces posúdenia stavebných dizajnov existuje niekoľko pokročilých štandardov ako Ecohomes (BRE, UK), Passivhaus (Nemecko), AECB (UK) a LEED (USA). Tieto štandardy poskytujú rôzne rebríčky kritérií pre hodnotenie energetickej účinnosti a/alebo nulovej spotreby energie v budovách. Avšak neobsahujú žiadne konkrétne stratégie alebo pokyny na dosiahnutie nulovej energetickej bilancie pre zrubové konštrukcie. Tieto sú ale veľmi dôležité pre architektov a inžinierov, tiež pre spopularizovanie pasívnych stavieb zrubového typu.

Z pohľadu energetického hodnotenia budovy s pozitívnym indexom, je potrebné zamerať sa na zníženie mernej potreby tepla na vykurovanie – čo súvisí s kvalitným návrhom obalového plášťa ako celku, a predpokladá sa adekvátne využitie solárnych i vnútorných ziskov. Taktiež je nutné, aby sa zníženie spotreby primárnej energie na vykurovanie, chladenie, vetranie, prípravu teplej vody a osvetlenie s pokrytím celkovej potreby primárnej energie obnoviteľnými zdrojmi stalo prirodzenou súčasťou ďalšieho postupu navrhovania budov.

Požiadavky na energetickú náročnosť domov sa podobne ako požiadavky na tepelno-technické vlastnosti stavebných konštrukcií vyvíjali postupne. Boli určené v sérii noriem ČSN, neskôr STN, v súčasnosti EN, resp. ISO. Energetická náročnosť sa vyjadruje pomocou hodnoty mernej potreby tepla Q_H,nd na neprerušované vykurovanie za rok. Pri hodnotení budov sa vychádza z obostavaného objemu budovy V_b [m³], určeného na základe vonkajšieho z porovnávacieho rozdielu teploty vnútorného a vonkajšieho vzduchu θ_ai − θ_ae = 35 K, minimálnej hodnoty výmeny vzduchu n = 0,5 l/h, mernej plochy budovy ΣA_b [m²], ktorá je pôdorysného rozmeru budovy a konštrukčnej výšky jednotlivých podlaží, mernej tepelnej straty H [W/K]jednotlivých podlaží, normalizovaného počtu denostupňov D = 3 422 K.deň a súčtom pôdorysných plôch jednotlivých podlaží. Budovy spĺňajú energetické požiadavky, ak ich merná potreba tepla Q_H,nd ≤ Q_H,nd,N, kde Q_H,nd,N je normalizovaná potreba tepla [kWh/(m².rok)].

Boli spracované odborné prípadové štúdie, ktoré sa zamerali na posúdenie tepelno-technických parametrov stavieb, no takmer výhradne stavieb na silikátovej báze. Obdobný výskum sa dreveným stavbám zrubovej konštrukcie v dostupných zdrojoch nevyskytuje.

Hlavným zámerom štúdie je špecifikácia základných tepelno-technických vlastností drevených stavieb zrubovej konštrukcie s nadväznosťou na súčasné poznatky a teoreticko-experimentálny výskum s dôrazom na objekt experimentu, kde sa zameriavame na komplexné vlastnosti celej stavby, nie len na parciálne časti stavby ako sú steny, či strecha. Štúdia a samotný experiment majú poukázať na uskutočniteľnosť drevenej zrubovej stavby rodinného domu v reálnych podmienkach v energeticky úspornom štandarde s definovaním energetickej bilancie pre zrubové stavby. Tepelno-technická špecifikácia vlastností práve pre drevenú zrubovú konštrukciu je kľúčová pri aplikovaní tradičných prvkov a princípov zrubovej stavby do modernej stavby rodinného domu, so splnením požiadaviek pre kvalitné bývanie novodobej rodiny.

Cieľom tohto príspevku je na základe energetických analýz a ich zhodnotení v komparácii s tepelno-technickými meraniami na konkrétnej drevenej zrubovej stavbe ponúknuť možné odporúčania pre ďaľšiu kvalitnú výstavbu.

V súvislosti s dnešným záujmom o tradičné drevené stavby, je informačný tok ohľadom ich tepelného a energetického správania sa nedostatočný.

Objektom experimentálneho výskumu a pozorovania bol rodinný dom zrubovej konštrukcie s celoročným pobytom osôb. Možno povedať, že drevostavby sa stávajú bežnou súčasťou konštrukčného riešenia i väčších polyfunkčných, či dokonca viacpodlažných stavieb, čo ale znamená skôr konštrukčné riešenie stĺpikového systému. Ale už aj pri týchto typoch sa častejšie stretávame s tradičnejším riešením – so zrubovými konštrukciami.

Metodika hodnotenia

• Teoretická analýza skladieb s vyhodnotením súčiniteľa prechodu tepla U v zmysle STN 73 0540 „Tepelno-technické vlastnosti stavebných konštrukcii a budov“.
• In-situ merania teplôt a relatívnej vlhkosti vzduchu na hotových zrubových objektoch.
• Meranie spotreby energie na vykurovanie v prevádzkových podmienkach podľa STN 73 0550 s vyhodnotením energetickej bilancie počas vykurovacieho obdobia s ohľadom na faktory vnútornej pohody.
• Simulácia skúmaného objektu rodinného domu zrubovej konštrukcie vo vedeckom simulačnom programe ESP-r.
• Konfrontácia teoretickej analýzy a uskutočnených meraní na existujúcom objekte.

Cieľom merania bolo stanoviť spotrebu energie na vykurovania rodinného domu v relatívne kratšej meracej perióde, ktorá trvá 30 dní. Na transformáciu spotreby energie z meranej periódy na normové hodnoty sa použije normatívny počet dennostupňov a následne vyhodnotenie podľa STN 73 0550 „Meranie spotreby energie na vykurovanie v prevádzkových podmienkach“ s aplikovaním prístupov európskych noriem do našej legislatívy. Pri meraní spotreby energie na vykurovanie sa postupuje v zmysle normy STN 73 0550 a súvisiacich európskych noriem a predpisov. Po detailnom rozbore projektovej dokumentácie riešeného objektu a dôkladnom tepelno-technickom prieskume samotnej budovy sme zvolili charakteristický priestor na umiestnenie snímačov. Po inštalácii meracích zariadení a úspešnom procese merania bolo vykonané vyhodnotenie nameraných dát.

Spotreba energie určená podľa tejto normy je spotrebou, ktorá sa uskutočňuje od meraného miesta po radiátory. Táto hodnota reprezentuje tzv. čistú spotrebu energie bez vplyvu účinnosti zdroja tepla, rozvodov tepla, regulácie. V tejto hodnote môže byť zahrnutá iba účinnosť rozvodov tepla v nevykurovanom priestore – suteréne budovy. Takto stanovená spotreba energie na vykurovanie zodpovedá energetickej spotrebe, ktorá sa uskutočňuje tepelno-technickými vlastnosťami stavebných konštrukcií a budovy. Nezapočítava spotrebu energie, ktorá je potrebná na výrobu a rozvod energie k používateľovi.

Tab. 1. Popis zariadení na realizáciu experimentu

	Viackanálová meracia ústredňa AGILENT určená na meranie teploty vnútorného vzduchu, s umiestnením snímačov podľa platných predpisov v norme STN 73 0550
	Meracia ústredňa KLIMA LOGGER TFA 30.3015 – meracia stanica so snímačmi na meranie teploty vzduchu a vlhkosti vzduchu.
	Meteorologická stanica HOBO pre exteriérové merania rýchlosti vetra, teploty vonkajšieho vzduchu, vlhkosti vzduchu, slnečného svitu.

Obr. 1 Juhozápadný pohľad na stavbu zrubového RD, rok dokončenia stavby 2005

Experiment bol realizovaný na objekte rodinného domu, ktorý sa nachádza v lokalite Ponická huta, Banskobystrický kraj, okres Banská Bystrica.

Obr. 2 Pôdorys prízemia a podkrovia skúmaného objektu

Vyhodnotenie nameraných hodnôt podľa STN 73 0550 pre objekt rodinného domu

Spotreba energie na vykurovanie bytových podlaží na základe meraní na objekte:

V tab. 6 sú zhrnuté jednotlivé priemerné prírastky spotreby energie, teploty vzduchu v interiéri a exteriéri a prislúchajúci počet denostupňov stanovený podľa vzťahu:

kde je

D_T

počet denostupňov [K.deň]

T

interval odčítania prírastkov energie (v tomto konkrétnom prípade 5)

θ_i,pr

priemerná interiérová denná teplota [°C]

θ_e,pr

priemerná exteriérová denná teplota [°C]

Obr. 3 Výsledná energeticko–teplotná závislosť

Výsledky a diskusia

Obr. 4: Porovnanie potreby tepla na vykurovanie RD s hodnotami potreby tepla na vykurovanie podľa STN 73 0540

Výpočtom bolo preukázané, že merná potreba tepla na vykurovanie je 70,7 kWh/m².rok, keď uvažujeme súčiniteľ tepelnej vodivosti mäkkého dreva (tep. tok kolmo na vlákna) podľa STN EN 12524 λ = 0,13 W/m.K. Pri zmene hodnoty súčiniteľ tepelnej vodivosti mäkkého dreva (tep. tok kolmo na vlákna) podľa STN 73 0540 pre stavebné konštrukcie vonkajšie λ = 0,18 W/m.K sa hodnota potreby energie na vykurovanie markantne nezmení. Hodnota potreby tepla na vykurovanie Q_H,nd vzrastie o 1,1 kWh/m².rok na 71,7 kWh/m².rok. Objekt rodinného domu je možné podľa projektovej dokumentácie a na základe výpočtu potreby energie zaradiť na rozhranie bežnej výstavby a energeticky úsporného domu (obr. 4).

Spotreba energie na vykurovanie na základe meraní je iba 30 % z pôvodne uvažovanej projektovej potreby tepla na vykurovanie vyplývajúcej z pôvodného prepočtu (tab. 8). Z toho vyplýva, že postup výpočtu podľa STN neodzrkaďľuje reálny stav, napriek tomu že do výpočtu vstupujú reálne hodnoty vonkajšej klímy. Keďže stavba prezentuje výbornú kombináciu celkovej koncepcie, izolačného štandardu s elimináciou tepelných mostov, vysoký stupeň využitia slnečného žiarenia cez transparentné konštrukcie, využívanie obnoviteľných energetických zdrojov a rozumné hospodárenie samotných užívateľov, je možné že postup v STN 73 0540 môže byť výrazne skreslený.

Obr. 5: 3D model referenčného objektu v aplikácii Esp-r (teplotné zóny)

Obr. 6: 3D graf vonkajšej meranej teploty (Ponická Huta) v ESP-r (1. 1.–30. 1. 2007)

Pre referenčný objekt bola vykonaná podrobná tepelná simulácia v aplikácii ESP-r (University of Strathclyde, Glasgow), pri reálnych podmienkach vonkajšej klímy, v presne určenom období. Výsledkom je reálna simulácia – hlavne zistenie správanie sa budovy z teplotného hľadiska v čase (tepelný komfort), ale taktiež zistenie spotreby energie.

Skúmaný objekt zrubovej konštrukcie bol spracovaný v ESP-r dvakrát, pri rovnakých vstupných vonkajších klimatických podmienkach. Modifikovaná hodnota bola hodnota súčiniteľa tepelnej vodivosti pre drevo λ_D [W/(mK)]. Hodnota λ_D bola podľa STN 73 0540 – λ_D = 0,18 W/(mK), v ďaľšom postupe bola zmenená na hodnotu λ_D = 0,13 W/(mK) podľa STN EN 12524, z dôvodov rozobraných v úvode.

Každá miestnosť simulovaného objektu sa z dôvodov rôzneho využitia a zachovania akumulačných vlastností priečok modeluje ako samostatná tepelná zóna v geometrickom drôtovom 3D modeli, keď veľkosť plôch reprezentuje teplovýmenné konštrukcie. Jednotlivým zónam sa priraďujú konkrétne vnútorné simulačné podmienky – parametre kúrenia, vetrania, pohybu osôb, vnútorných ziskov a i., dynamicky sa meniacich.

Obr. 7: Závislosť potreby tepla na vykurovanie v komparácií s teplotou vnútorného vzduchu a infiltrácie vzduchu typickej zóny (izba 3) počas januára 2007 (Esp-r)

Obr. 8: Percentuálny rozdiel v spotrebe energie na vykurovanie referenčného objektu podľa metódy vyhodnotenia, vztiahnutá na reálnu spotrebu energie podľa STN 73 0550: projektový výpočet podľa STN 73 0540 – simulácia ESP-r

Obr. 9: Porovnanie potreby energie na vykurovanie počas jedného roka, podľa simulácie ESP-r a projektového výpočtu podľa STN 73 054

Jedným z vysvetlení pre uvedené výrazné rozdiely v spotrebe energie je fakt, že v STN 73 0540 solárne zisky neovplyvňujú vo výraznej miere spotrebu energie. Ale z grafov zreteľne vyplýva, že môžu tvoriť výrazný podiel získanej energie, a tak znížiť energie na vykurovanie objektu – ako v prípade referenčného. Súčasťou simulácie v ESP-r je aj modelovanie tohoto vplyvu, a je zreteľne viditeľné, že vplyv solárnych ziskov nemožno zanedbať.

Obr. 10: Potreba energie na vykurovanie počas pozorovaného obdobia – simulácia ESP-r podľa reálnych dát – výpočet STN 73 0550 podľa meraných dát – projektový výpočet STN 73 0540 – pre rôzne hodnoty λ_D [W/mK]

Záver

Reálna spotreba elektrickej energie na vykurovanie referenčného objektu počas sledovaného obdobia je 710 kWh. Pre porovnanie sú v tab. 9 uvedené adekvátne spotreby vybraných druhov alternatívnych palív.

Tab. 9. Spotreba a cena najpoužívanejších druhov palív pre RD Ponická Huta

Pri takejto nízkej spotrebe energie na vykurovanie počas sledovaného obdobia a pritom veľmi príjemnej vnútornej klímy v objekte sa stáva prípustnou ktorákoľvek alternatíva paliva na vykurovanie. Napriek výberu relatívne najdrahšej alternatívy – el. energie – sú náklady na vykurovanie cca 85,2 €/mesiac január, a pre užívateľov rodinných domov bežnej konštrukcie na Slovensku je toto riešenie prinajmenšom atraktívne. Pri pomere ceny spotreby energie na vykurovanie a príjemnej vnútornej tepelno-vlhkostnej mikroklímy a v podstate bezstarostného užívania, tvorí elektrická energia výhodné riešenie.

Spotreba energie na vykurovanie za zaznamenávané obdobie jedného mesiaca od 1. 1. do 30. 1. 2007 v rodinnom dome pôsobí veľmi nízko Práve v tomto objekte, pri porovnaní jednotlivých metód vyhodnotenia (ESP-r, STN 73 0550, STN 73 0540), porovnávané parametre jasne ukazujú rozdielnosť v prístupoch riešenia. Južná a juhozápadná orientácia otvorov počas jasnej oblohy poukazuje ako výrazne dokážu solárne zisky a jednotlivé parametre výplňových konštrukcii ovplyvniť výsledky potreby energie na vykurovanie.

Otvorové výplne so zasklenými plochami predstavujú významný podiel na energetickej bilancii budovy. Požiadavky na vlastnosti zasklenia vykurovanej budovy sú:

• minimálna U-hodnota (t.j. minimálne tepelné straty)
• maximálna g-hodnota (t.j. maximálna priepustnosť slnečného žiarenia)

Po zmene – optimalizácii g-hodnoty celkovej energetickej priepustnosti slnečného žiarenia a jej integrovania do priebehu výpočtu podľa STN 73 0540 sa zmenila hodnota spotreby energie na vykurovanie za dané sledované obdobie o 10 %. Významným vplyvom sa ukazuje aj priemerná intenzita slnečného žiarenia s nasmerovaním I_sj, ktorú STN normalizuje. Ale významný vplyv na jej hodnotu má priemerná intenzita slnečného žiarenia v danej lokalite, lokálne prírodné podmienky, tieniace objekty, nadmorská výška a znečistenie vzduchu a následné znečistenie skiel okien, a konkrétny počet dennostupňov.

Najvýraznejší vplyv na určenie spotreby energie má však infiltrácia vzduchu do celého objektu zrubovej konštrukcie cez steny a škáry okien. Bolo zistené, že sledovaná zrubová konštrukcia je vysoko tesná, z dôvodu implementovania dvojitého tesnenia vloženého medzi trámami steny s vlastným dvojitým perom a drážkou.

Na základe uvedených meraní, analýz, simulácií a ich zhodnotení uvedených v predošlých kapitolách možno pre drevené zrubové stavby a ich potrebu energie na vykurovanie vysloviť nasledovné postrehy a odporúčania:

Rozdielne hodnoty súčiniteľa tepelnej vodivosti dreva λ_D = 0,13 a 0,18 W/mK vo výpočte potreby energie na vykurovanie priamo ovplyvňujú projektovú potrebu hodnoty energie na vykurovanie budovy. Presnejšie skutočnosti zodpovedá súčiniteľ tepelnej vodivosti dreva λ_D = 0,13 W/mK, stanovený podľa STN EN 12524 „Stavebné materiály a výrobky. Tepelno-vlhkostné vlastnosti. Tabuľkové návrhové hodnoty.“. Podľa STN 73 0540 „Tepelno-technické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov“ je potreba energie na vykurovanie vyššia od reálnej spotreby cca o 15 %, pričom táto hodnota bola potvrdená pri daľších predbežných meraniach na iných objektoch zrubovej konštrukcie.

Najpresnejším spôsobom hodnotenia potreby energie na vykurovanie, predstavuje precízna simulácia vo vedeckom programe ESP-r, kde sa táto metóda pri drevených zrubových stavbách ukazuje ako najreálnejšie hodnotenie vo fáze návrhu. Nami vykonané simulácie v programe ESP-r poskytli komplexné výsledky o spotrebe energie a parametroch vnútorného prostredia simulovaných budov, prostredníctvom kalibrovaných výpočtových modelov. Výpočtový model poskytuje aj výstupy z hľadiska komplexného environmentálneho hodnotenia budovy (napr. koncentrácia CO₂, riziko mykotoxínov, hodnotenie vnútorného prostredia podľa Fangerovej stupnice a pod.).

Za už klasické odporúčanie možno považovať prvotnú vedomú orientáciu maximálneho počtu okenných otvorov na južnú svetovú stranu, a eliminovanie severných otvorov.

Vzhľadom na neustále zvyšovanie stupňa znečistenia životného prostredia a zväčšeného počtu aerosolov v ovzduší, ktoré nepriaznivo ovplyvňuje energetickú priepustnosť slnečného žiarenia zasklením, čistota zasklenia je nevyhnutná, a potrebná nielen pre optickú pohodu vnútorného prostredia.

Na energetickú náročnosť drevených stavieb a ich tepelnú stabilitu v zimnom období zreteľne vplýva rovnomernosť vykurovania, ktorá úzko súvisí práve s relatívne nízkou hmotnosťou konštrukcií zrubovej stavby.

Projektové riešenie potreby energie je síce prínosné pre riešenie všeobecných objektov a pre porovnávacie účely, na čo primárne toto hodnotenie slúži. Jeho výpovedná hodnota je ale vzhľadom k vynikajúcim teplo-technickým vlastnostiam zrubových stavieb a spotrebám energie drevených zrubových stavieb a ich užívania drevených zrubových stavieb netransparentná a smerodajnosť výpočtov by nemala byť relevantná, pri posudzovaní samotných drevených zrubových stavieb ohľadom predikcie skutočnej spotreby energie.

Najslabším článkom výpočtu tepelných strát sa ukázalo vetranie. Vzhľadom na variabilitu konštrukčných riešení a vysokú citlivosť drevených zrubových konštrukcii na vzduchotesnosť je požadovaná hodnota čísla výmeny vzduchu, n = 0,5 l/h podľa STN 73 0540 nedostatočná. V reálnych podmienkach sa ukazuje, že na adekvátnejšie stanovenie hodnoty výmeny vzduchu je nutné previesť meranie vzduchotesnosti budovy. Pri simuláciách v programe ESp-r bolo potrebné zvýšiť výmenu vzduchu na cca 2 až 3násobok normou odporúčanej hodnoty, pre dosiahnutie potreby energie na vykurovanie približujúcej sa reálnej spotrebe energie na vykurovanie.

Ako jednou z ciest sa ukazuje prevzatie a následné zapracovanie európskych noriem do našej legislatívy, napr. STN EN ISO 6946, STN EN ISO 14 683, STN EN ISO 10 211, a s podrobným zapracovaním samotných solárnych ziskov drevených stavieb s aplikovaním prístupu podľa normy STN EN ISO 13790:2009.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol aj vďaka podpore projektu VEGA 1/0538/14 – Teoretická, experimentálna a modelová analýza fyzikálno-technických vlastností obalových konštrukcií budov na báze dreva

Literatúra

1. Buildings and Environment 2006, Conferecion Quality of the Built Environment, web.svf.stuba.sk/kat/KPS.
2. BOARDMAN, C. R. – OLSON, C. L.: Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Whole Buildings In:11^th International Conference on Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Whole Buildings, Buildings XI; United States; 2010
3. CARLL, CHARLES G., et al. Case study: performance of a house built on a treated wood foundation system in a cold climate. In: Proceedings of the thermal performance of the exterior envelopes of whole buildings XI international conference. 2010.
4. DLESEK, V.: Energetická náročnosť pozemných stavieb. 2. vyd. Praha: 1982. 238 s.
5. FEIST, W. – KLIEN, J.: Das Niedrigenergiehaus,Energiesparen im Wohnungbau der Zukunft. 1. vyd. A.C.Müller GmbH Karlsruhe, BRD: 1992. 183 s.
6. HUMM, O.: Nízkoenergetické dom. 1. vyd. Praha: 1999. 360 s. ISBN 80–7169–657–9
7. CHING, F. – ADAMS, C.: Building Construction Illustrated. 3. vyd. New York: 2001, 690 s. ISBN 0–471–35898–3
8. JOCHIM, S.: Obvodové steny na báze dreva, úspora energie, ekológia. Dizertačná práca. 1. vyd. Zvolen: 2003. 165 s.
9. KÜRSTER, E.: Grosse Möglichkeiten für Holzbau in Osteneuropa, Holz-Zentralblat N.122. 1. vyd. 1996, 220 s.
10. PASTOR, Ľ. – HORÁK, M. – HORNÍK, Š.: Efektívne využívanie energie pri prevádzke zariadení a budov. 1. vyd. Jaga group Bratislava: 2000. 159 s. ISBN 80–88905–33–8
11. PUŠKÁR, A. – SZOMOLÁNYIOVÁ, J. – FUČILA, J.: Okná, dvere, zasklené steny. 1. vyd. Bratislava: 2000. 228 s. ISBN 80–88905–62–1
12. REINPRECHT, L.: Ochrana dreva a kompozitov. 2. vyd. Zvolen: 1998, 240 s. ISBN 80-228-0690-0
13. SASAKI, M. – YANAI, T. – AKIMOTO, T.: The Field Measurement of The Sustainable Office Building with The Environmental Adjustable Systems In: Proceedings of Clima 2007 WellBeing Indoors, Helsinki, Finland, 10–14 June, 2007, ISBN 978-952-99898-3-6.
14. STERNOVÁ, Z.: Zatepľovanie budov, Tepelená ochrana, 1. vyd. Jaga group Bratislava: 1999. 207 s. ISBN 80–88905–11–7
15. ŠTEFKO, J.: Exteriérové stavebno-stolárske výrobky. 2. vyd. Zvolen: 2001. 182 s. ISBN 80–228–1013–4
16. VIOT, H., et al. Comparison of different methods for calculating thermal bridges: Application to wood-frame buildings. Building and Environment, 2015, 93: 339–348.
17. WEBER, H.: Umweltenergie – Nutzung am Gebäude Verlab. Köln: 1990, 174 s.
18. HAUSER, G.: Predpis o úsporách energie: Návrh a dôsledky. In. Tepelná ochrana budov. ročník 3. Praha: 6/2000. 56 s. ISSN 1213–0907
19. STN 73 0540: 2013, Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov
20. STN 73 0550: 1998, Meranie spotreby energie na vykurovanie v prevádzkových podmienkach
21. STN EN ISO 14683: 2008, Tepelné mosty v stavebných konštrukciách. Lineárna stratový súčiniteľ. Zjednodušené metódy a orientačné hodnoty.