K metodám hodnocení stavebně-energetické koncepce budov a k podporám environmentálně šetrných řešení (I)

Vlastnosti budov a potřeba primární energie

Stavební řešení budovy vytváří spolu s technickými systémy vytápění, větrání, případně chlazení jeden funkční celek. Jako celek by tedy měly být hodnoceny její stavebně-energetické vlastnosti. Možným jednotným měřítkem, které umožňuje porovnávat odlišné strategie snižování spotřeby tepla stavebním řešením i volbou energetického systému, je vyjádření pomocí množství primární energie pocházející z neobnovitelných zdrojů. Tento přístup se především v zahraničí začíná výrazně prosazovat. Příspěvek se dále věnuje zásadní a často diskutované otázce správnosti a výstižnost standardizovaných výpočtů potřeby tepla na vytápění.

Primární energie z neobnovitelných zdrojů jako základní kriterium
Připravovaná společná evropská norma (EN) umožňuje provést přepočet množství energie v místě spotřeby (v budově, místnosti) na množství energie z neobnovitelných zdrojů (primární energie), která musí být někde uvolněna (kdekoliv na Zemi), aby byla potřeba energie v místě pokryta. DIN V 4701-10 [1], která vychází z připravované EN a která je potřebná pro hodnocení budov podle německé vyhlášky [2], uvádí základní konverzní faktor f_p pro různá vytápěcí media - viz tab.1. Tím se vynásobí potřeba energie na vstupu do budovy.

způsob vytápění	fp
paliva užitá v budově	1,1
CZT z kogenerační jednotky na fosilní paliva	0,7
CZT (blízké a velké) z kotelen - fosilní paliva	1,3
CZT (blízké a velké) z kotelen - obnovitelné zdroje	0,1
elektrický proud (mix)	3,0
elektrický proud -akumulační vytápění	2,0 ! výjimka Vyhlášky EnEV [2] na 8 let od počátku platnosti

Tab.1 - Základní konverzní faktor podle způsobu vytápění [1]

Dále lze buď postupovat velmi podrobným a při ručním výpočtu pracným postupem zahrnujícím všechny ztráty při energetické přeměně v budově a při distribuci tepla v budově i mimo ni, nebo lze využít souhrnných nomogramů a tabulek v příloze této normy. Tabulky zohledňují jak velikost potřeby tepla na vytápění (od 40 kWh/(m²a) do 90 kWh/(m²a)) a velikost budovy (vytápěná plocha od 100 do 500, příp.1000 m²). Obecně se dá říci, že při nižší potřebě tepla a menší vytápěné ploše je přepočítávací součinitel při shodném způsobu vytápění vyšší. Několik příkladů orientačních hodnot přepočítávacího součinitele e_p, kterým se přenásobí potřeba tepla v budově, je uvedeno v tab.2.

Způsob vytápění	ep [-]
Nízkoteplotní plynový kotel s integrovaným ohřevem TUV, větrání přirozené
- při potřebě tepla 40 kWh/(m2a)	1,9 - 1,5
- při potřebě tepla 90 kWh/(m2a)	1,6 - 1,4
Kondenzační plynový kotel s integrovaným ohřevem TUV, mechanické větrání se zpětným získáváním tepla (účinnost 80%, výměna vzduchu 0,4 h-1)
- při potřebě tepla 40 kWh/(m2a)	1,3 - 1,15
- při potřebě tepla 90 kWh/(m2a)	1,2 - 1,13
Elektrické teplovzdušné vytápění s tepelným čerpadlem v systému zpětného získávání tepla
- při potřebě tepla 40 kWh/(m2a)	1,95 - 1,92
- při potřebě tepla 90 kWh/(m2a)	2,0 - 2,04

Tab.2 - Orientační hodnoty součinitele e_p pro některé druhy vytápění - podle DIN V 4701-10 [1]

Do hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů by se pochopitelně měla zahrnout veškerá svázaná energie (embodied energy), spojená s výstavbou a provozem energetického zdroje, přenosové sítě atd., korigovaná podle životnosti těchto prvků. Podle místních podmínek i kvality podkladů se pak mohou údaje od různých autorů mírně lišit [3].

Obnovitelné zdroje energie z pohledu primární energie
Využívání obnovitelných zdrojů energie v souvislosti s provozem budov je pochopitelně velmi lákavou možností ke snižování environmentálního zatížení v lokálním, regionálním i globálním měřítku. K existenci a provozu technologického zařízení pro využívání obnovitelných zdrojů energie je zapotřebí i jistého množství energie pocházející ze zdrojů neobnovitelných. Především jde o elektrickou energii z rozvodné sítě, potřebné pro pohon čerpadel, kompresorů, regulačních a řídicích prvků a dalších, ale i o vynaloženou energii spojenou s výrobou, přepravou, úpravou a skladováním fytopaliv apod. Zapomenout by se nemělo ani na primární energii z neobnovitelných zdrojů spojenou s výrobou potřebných zařízení (kolektory, fotovoltaické systémy, kotle, zásobníky, budova kotelny a skladu paliva apod.).

Obr. 1 - Faktor energetické přeměny (konverzní faktor) pro odlišné způsoby vytápění
a ohřev teplé vody a pro efekt zlepšení kvality obvodového pláště

Porovnání přináší obr.1, sestavený s částečným využitím dat z [3]. Položka elektro odpovídá elektřině ze sítě (evropský mix) při uvažování 90 % účinnosti distribuce tepla v budově. Jako tepelná čerpadla jsou hodnocena obvyklá tepelná čerpadla poháněná elektrickou energií s různě vysokým topným faktorem (poměr mezi energií získanou a vloženou za nějaký časový úsek). Položka plyn reprezentuje obvyklé způsoby vytápění, zobrazená hodnota leží přibližně ve středu intervalu hodnot podle tab.2. Hodnoty mohou být při dobře navržené otopné soustavě, vynikajícím kotli a účinné regulaci i výrazně nižší. Solární systém je zde uvažován jako malá soustava k ohřevu teplé vody pro rodinný dům, včetně zásobníku a rozvodů. Ohřev teplé vody v ročním hodnocení (60 % solární pokrytí, zbytek elektrický nebo plynový ohřev) je uveden samostatně. Dále je uvedena hodnota pro fotovoltaický systém (3 kWp, grid-off) integrovaný do šikmé střechy. Hodnota pro fytopaliva byla odvozena pro systémy spalující dřevěnou štěpku a kusové dřevo [3]. Sloupec označený redukce vyhodnocuje situaci, kdy původní obvodový plášť budovy se součinitelem prostupu tepla 0,8 W/(m²K) byl zlepšen na úroveň 0,2 W/(m²K). K tomu musely být použity izolační a další hmoty, které svým vznikem a osazením také v jisté míře zatěžují životní prostředí. Rozdíl v potřebě provozní energie na krytí tepelné ztráty (zde: vytápění plynem), vztažené na předpokládanou životnost opatření (zde použit konzervativní, tedy nízký odhad 25 let) je pak započten do výsledné hodnoty.

Z takových porovnání, případně rozšířených o přepočet na ekvivalentní emise CO₂, je možné odvozovat priority stavebně-energetického řešení budovy i porovnávat přínosy jednotlivých systémů k poklesu zatížení životního prostředí. To by mohlo být klíčem i pro hodnocení v rámci obecnějších metod hodnocení kvality řešení budovy z hlediska udržitelnosti (sustainability) i pro nastavení podpor z veřejných prostředků.

Potřeba tepla na vytápění
Druhou klíčovou záležitostí pro stanovení potřeby primární energie je stanovení potřeby tepla na vytápění. Vhodný výpočtový postup je uveden v ČSN EN 832 [4]. Výpočetní postup, který je přímo uveden ve vyhlášce 291/2001 [5], je celkem oprávněně kritizován řadou specialistů. Jeho slabinou není přílišné zjednodušení reality, ale především to, že vytváří dojem, jako by reálný stav opravdu popisoval, k čemuž si ovšem pomáhá několika pevně nastavenými parametry bez vztahu ke konkrétní skutečnosti (výměna vzduchu, pasivní solární zisky, vnitřní zisky). Nejjednodušší výpočet nemůže sloužit k výstižnému hodnocení budov výrazně lepších než obvyklých (tzv. nízkoenergetických), ani mnohých staveb nebytových. Tato vyhláška ovšem nabízí možnost podrobnějšího stanovení všech prvků energetické bilance budovy, odvoláním na české technické normy, jmenovitě i na ČSN EN 832. Takový podrobnější výpočet může pochopitelně vést k odlišným výsledkům než nejjednodušší výpočet uvedený přímo ve vyhlášce, sloužící výlučně k rozhodnutí typu "splňuje/nesplňuje".

Vyhláška 291/2001 uvádí požadavky na budovy označené jako "požadované hodnoty měrné spotřeby tepla při vytápění budov". Deklarace splnění základních požadavků by mohla být výrazně jednodušší (např. ve formě střední hodnoty součinitele prostupu tepla (vážený průměr) všech ochlazovaných konstrukcí). Ostatně mnozí uživatelé jednoduchého vyhláškového postupu již dávno přišli na to, že je praktičtější si zpětně spočítat požadavek na měrnou ztrátu prostupem tepla pro daný tvar budovy H_T [W/K] a podle toho přímo korigovat návrh obvodových konstrukcí.

Vyhláška se jak známo vztahuje na budovy a jejich změny od jisté velikosti (definované celkovou spotřebou energie na vytápění větší než 700 GJ/rok). V případě financování budov a jejich změn z veřejných prostředků, dolní omezení velikostí spotřeby tepla neplatí. Podle nového znění normy ČSN 730540-2 (2002) [6] musí ovšem "vyhláškové" hodnoty splnit všechny budovy, bez ohledu na jejich velikost. Tato norma je platná od 1. prosince 2002 a je závazná jako naplnění vyhlášky 137/98 o obecných technických požadavcích na výstavbu i jako naplnění zákona 406/2000 o hospodaření energií.

Příklad hodnocení
Pro ilustraci možných odlišností výsledků výpočtů i vlivu zpřísněných požadavků na tepelně-technické vlastnosti konstrukcí v posledních deseti letech je dále uveden příklad hodnocení jednoho konkrétního rodinného domku běžné velikosti a tvaru (660 m³ obestavěného prostoru, poměr A/V, tedy podíl plochy ochlazované obálky a obestavěného objemu budovy, rovné 0,67, lokalita Praha-Ruzyně).

Obr.2 - Hodnota měrné tepelné ztráty H_c [W/K] ve smyslu ČSN EN 832 pro příklad rodinného domku
pro odlišné úrovně tepelně-izolačních vlastností obvodových konstrukcí:

a - konstrukce podle požadavků ČSN 73 05040-2 (1994) b - konstrukce podle doporučení ČSN 73 05040-2 (1994) c - konstrukce podle požadavků ČSN 73 05040-2 (2002) s uplatněním výjimky pro jednovrstvé zdivo (použito pouze v přízemí) a pro okna d - konstrukce podle požadavků ČSN 73 05040-2 (2002) e - konstrukce podle doporučení ČSN 73 05040-2 (2002) f - konstrukce podle doporučení ČSN 73 05040-2 (2002) při použití nuceného větrání se zpětným získáváním tepla s účinností 75 %

Obr.3 - Měrná potřeba tepla na vytápění rodinného domku stanovená výpočtem uvedeným přímo ve vyhlášce 291/2001 (A) a podle českých technických norem vyhláškou citovaných (B) s využitím místních klimatických údajů, podmínek zastínění i způsobu užívání, pro odlišné úrovně tepelně-izolačních vlastností obvodových konstrukcí (viz obr.2). Plná čára označuje úroveň požadavku podle vyhlášky, přerušovaná čára označuje horní hranici oblasti označované jako nízkoenergetická výstavba.

Příklad je zvolen tak, aby dokumentoval:

odlišnosti mezi odlišnými, ale přípustnými způsoby výpočtu, skutečnost, že požadavek vyhlášky je nastaven spíše měkce, a je splnitelný i pro malé budovy. Ve srovnání s požadavky ve vyspělých zemích s podobnými klimatickými poměry je stále výrazně méně přísný. Zřetelný pokles měrné tepelné ztráty Hc nemusí být vždy stejně výrazně následován poklesem měrné potřeby tepla na vytápění - zde se projeví snížení tepelné propustnosti slunečního záření (hodnota g) [4] při snižování součinitele prostupu tepla oken. Varianta e se blíží horní hranici oblasti nízkoenergetických domů. Požadavek na dosažení ještě nižších hodnot je vhodné řešit použitím zpětného získávání tepla z větracího vzduchu (varianta f).

V daném případě byly vnitřní zisky uvažovány hodnotou 3 W/m² (doporučená hodnota podle ČSN EN 832 s odhadnutým vlivem nesoučasnosti užívání budovy). Výměna vzduchu byla uvažována s intenzitou n = 0,3 h^-1, což splňuje požadavek kap.7 [6]. Výsledky příkladu není pochopitelně možné zcela zobecnit; kromě velikost ploch a vlastností obvodových konstrukcí hrají významnou úlohu i místní klimatické podmínky, zastínění oken a předpokládané podmínky užívání budovy.

Závěr
Vyjádření potřeby primární energie je zřejmě perspektivní metodou hodnocení stavebně-energetických vlastností budov. V nedávné době se objevuje v předpisech v SRN a ve Francii, vzniká společná evropská norma pro příslušné výpočty. Nedávno publikovaná směrnice EU o energetických vlastnostech budov se orientuje na komplexnější pohled na toky energie v budově (energy performance), včetně pečlivého rozlišování charakteru užívání budovy a vnitřních zdrojů tepla. Příslušná vyhláška nebo jinde publikovaná kriteria pro energetické vlastnosti budov budou muset být v krátké době modifikovány, precizovány a také zpřísněny. Jednotný evropský přístup umožní také lepší porovnávání požadavků.

Vyjádření vlastností budovy pomocí potřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů je přes přechodné potíže s dostupností a kvalitou dat dobrým nástrojem, který můžeme použít jako jednotné měřítko pro porovnávání různých variant stavebně-energetické koncepce budovy i k věrohodnému vyjádření společenského přínosu - snižování zátěže životního prostředí.

Použití věrohodných metod hodnocení by mohlo možná také trochu pozměnit převážně negativní vztah projektantů k nařízením obecně - měl by to být především nástroj, který pomáhá nalézat vhodná řešení pro konkrétní případ, a je tedy v zájmu všech účastníků výstavby.

Literatura
1. DIN V 4701-10, 11/2000 (Návrh)
2. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagetechnik bei Gebäuden (EnEV 2001), SRN 2001
3. Kasser, U.-Pöll, M.: Graue Energie von Baustoffen. Büro für Umweltchemie, Zürich, 1998
4. ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění - Obytné budovy, ČSNI, 2000
5. Vyhláška 291/2001 Sb. MPO, kterou se stanoví podrobnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách
6. ČSN 73 0540-2 (2002) Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky, ČSNI 2002

Poznámka:
Tento článek je prvním dílem dvoudílného bloku, jehož druhý díl vyjde vyjde zítra. Za ním bude otevřena společná diskuze.