Vliv koncepce technických systémů na energetickou náročnost rodinného domu a plnění standardu NZEB

Popis objektu

Případová studie je zpracována na případu novostavby rodinného domu. Jedná se o dvoupodlažní rodinný dům, kdy dispoziční řešení objektu umožňuje instalaci různých zdrojů tepla, např. i zdrojů tepla, které vyžadují větší prostorové nároky – kotel na dřevo/pelety, akumulační/solární zásobník, apod. Dispoziční řešení představuje klasické členění objektu, kdy v levé části 1.NP je technické zázemí a skladové prostory, zbývající část zaujímá obývací prostor a prostor kuchyně. V 2. NP se nachází dětské pokoje, ložnice, koupelna.

Obr. 1 Půdorys 1.NP

Obr. 2 Půdorys 2.NP

Obr. 3 Jižní pohled

Obr. 4 Západní pohled

Výchozí podmínky pro hodnocení energetické náročnosti

Uvedený objekt je navrhován tak, aby splnil požadavky na závazné ukazatele energetické náročnosti budov (ENB) pro novostavby podle platné vyhlášky 78/2013 Sb. a zákona 406/2000 SB ve znění platných předpisů. Tyto požadavky se postupně zpřísňují v souladu se záměrem EU do roku 2020 stavět všechny novostavby jako budovy s téměř nulovou spotřebou energie (nZEB). V současnosti platné požadavky na ukazatele ENB pro řešený objekt jsou uvedeny v tabulce 1.

Tab. 1 Minimální legislativní požadavky pro ukazatele ENB pro daný RD

Současně jsou pro tento objekt nastaveny hranice tříd ENB, které jsou vztaženy vždy k nové budově, tzn. hranice tříd ENB se v čase nemění a jsou stejné jak pro novou budovu, tak pro budovu v režimu nZEB, viz Tab. 2. Hranice tříd ENB jsou nastaveny pro každou budovu individuálně a reagují na stavební a technické řešení budovy.

Ačkoliv pro splnění požadavků na energetickou náročnost novostavby je nutno splnit všechny tři ukazatele uvedené v tabulce 1, vyhláška 78/2013 Sb. uvádí, že pro účely uvedení ukazatelů energetické náročnosti budovy v informačních a v reklamních materiálech se při prodeji nebo pronájmu budovy použije zjednodušená forma znázornění obsahující pouze klasifikační třídu ENB celkové dodané energie a její měrnou hodnotu vztaženou na energeticky vztažnou plochu. Velikost písma v tomto případě odpovídá velikosti písma, kterým je uvedena cena prodeje nebo pronájmu. V textových inzerátech se uvádí oba povinné údaje pouze textově. Zatřídění ukazatele ENB celkové dodané energie Q_fuel (stanovení klasifikační třídy ENB pro Q_fuel) je tak prezentováno např. v komerčních sděleních, reklamních materiálech a při prodeji nemovitosti. Jedná se tedy o dílčí klasifikační hodnocení, se kterým je seznámen kupující nebo nájemce.

Tab. 2 Hranice klasifikačních tříd ENB pro jednotlivé ukazatele ENB pro daný objekt

Variantní řešení technických systémů

Hodnocení ukazatelů energetické náročnosti budov vyjadřuje komplexní kvalitu budovy, kterou ovlivňuje nejen kvalita tepelně technických vlastností, ale také řešení technických systémů a budovy a volba energonositelů užitých v budově. Z tohoto důvodu tato část studie řeší porovnání kombinací variantního navrhovaného řešení obálky budovy s několika kombinacemi řešení technických systémů.

Kombinací tepelně technických vlastností obálky budovy je demonstrován přístup k lepšímu kvalitativnímu zatřídění budovy vzhledem k energetickým třídám ukazatelů energetické náročnosti budovy – celkové dodané energie do budovy Q_fuel a neobnovitelné primární energie Q_nPE.

Požadavky pro současné nové budovy, tzn. požadavky od 1. 1. 2015, a požadavky na nZEB stanovují kvalitativní mez obálky budovy v podobě U_em a požadavek na Q_nPE, který by měla zohledňovat využití OZE. Celý výpočet je postaven na modelu, který prověřuje 55 různých reálných kombinací tepelně technických vlastností obálky budovy, kdy každou reálnou kombinaci parametrů jednotně reprezentuje vypočtené U_em hodnocené budovy v kvalitativním rozmezí 0,39 – 0,17 W/m².K. Vzhledem ke značné rozmanitosti konstrukcí obálky budovy jsou varianty definovány přímo U_em obálky budovy, stanovené podle ČSN 73 0540-2:2011, kdy tato hodnota může být cílovou hodnotou pro definování parametrů dílčích konstrukcí.

Ve výpočetním modelu je následně uvažováno porovnání pěti variant řešení technických systémů, které mohou následně ovlivňovat splnění požadavků v současné době nastavených pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie.

• Varianta 1 předpokládá stav, kdy vytápění a příprava TV je zajištěna pomocí plynového kotle a větrání objektu zajišťuje větrací jednotka se zpětným získáváním tepla.
• Varianta 2 reprezentuje využití tepelného čerpadla vzduch voda pro vytápění a přípravu TV, větrání objektu zajišťuje větrací jednotka se zpětným získáváním tepla.
• Varianta 3 předpokládá stav, kdy vytápění a příprava TV je zajištěna kotle na dřevo a akumulačního zásobníku o objemu 750 l a větrání objektu zajišťuje větrací jednotka se zpětným získáváním tepla.
• Varianta 4 představuje přímotopný systém, kdy vytápění objektu je zajištěno pomocí topných rohoží a příprava TV je pomocí elektrického zásobníku TV o objemu 150 l. Větrání objektu zajišťuje větrací jednotka se zpětným získáváním tepla.
• Varianta 5 předpokládá stav, kdy vytápění a příprava TV je zajištěna pomocí elektrického kotle a pomocí termického solárního systému. Větrání objektu zajišťuje větrací jednotka se zpětným získáváním tepla.

Hodnocení energetické náročnosti budovy

Rodinný dům disponuje energeticky vztažnou plochou o výměře 217 m², z tohoto důvodu se na tento typ bytového domu vztahuje, v případě podání žádosti o stavební povolení po 1. 1. 2020, požadavek na prokázání splnění požadavků pro budovy s téměř nulovou spotřebou (nZEB).

Grafy celkové dodané a neobnovitelné energie také ukazují limity a možnosti dosažení standardu budovy s téměř nulovou spotřebou energie ve smyslu vyhlášky 78/2013 Sb. Obecně je nutné současně splnit tři ukazatele EN, uvedené v Tab. 1.

Grafy současně ukazují hranice pro klasifikační třídy EN, přičemž pro komerční sdělení je vyžadováno použití zatřídění celkové dodané energie Q_fuel, viz Obr. 2. Průběh grafu jasně ukazuje, že v případě stávajícího stavu je budova zařazena do klasifikační třídy B pro všechny uvažované varianty technických systémů. V případě dosažení klasifikační třídy A pro tento konkrétní rodinný dům, je nezbytné pro varianty technických systémů nastavit kvalitativně obálku budovu lepší než U_em = 0,21 W/m².K.

Varianta technického systému s nuceným větráním se zpětným získáváním tepla výrazně snižuje celkovou dodanou energii do budovy. Nutno však poznamenat, že varianty obsahující termický solární systém, fotovoltaický systém případně tepelné čerpadlo nejsou z pohledu hodnocení celkové dodané energie nijak zvýhodněny z důvodu započtení produkce energie z těchto systémů do celkové dodané energie. K tomuto bude přihlédnuto v další části analýzy, kdy bude odlišena energie „zakoupená“ a energie získaná z okolního prostředí. Následující grafy, viz Obr. 5 a Obr. 6, demonstrují průběh celkové dodané energie do budovy Q_fuel a neobnovitelné primární energie Q_nPE.

Grafy průběhu celkové dodané energie do budovy Q_fuel na Obr. 5 demonstrují následující:

• V případě obálky budovy nastavené na úroveň lepší než cca 0,21 W/m².K bude budova s technickým systémem daným variantou 4 - el. přímotopný systém zařazena do klasifikační třídy A, ostatní varianty vyžadují kvalitnější obálku budovy. Klasifikační třídy jsou v případě zatřídění celkové dodané energie používány v marketingových sděleních.
• Pokud bude obálka budovy nastavena na minimální požadovanou úroveň pro nZEB standard, tzn. U_em = 0,23 W/m².K, budova automaticky splňuje požadavek pro nZEB i z pohledu celkové dodané energie pro všechny řešené varianty technických systémů budovy.
• Varianta 5 – elektrokotel a varianta 2 – tepelné čerpadlo vychází prakticky identicky z pohledu celkové dodané energie, jelikož je do celkové dodané energie započtena také energie okolního prostředí. Započtení energie okolního prostředí do celkové dodané energie definuje vyhláška 78/2013 Sb.
• Varianta 4 – el. přímotopný systém vychází nejlépe z pohledu celkové dodané energie díky velmi vysoké celkové účinnosti a flexibilitě tohoto systému, jako jediná splňuje požadavky na třídu EN A již s obálkou o parametru U_em = 0,21 W/m².K.
• Ostatní varianty 1, 2, 3, 5 budou zařazeny do třídy EN B.

Obr. 5 Graf průběhu celkové dodané energie Q_fuel v závislosti na obálce budovy a variantě technického systému

Grafy průběhu neobnovitelné primární energie Q_nPE na Obr. 6 demonstrují následující:

• Pokud bude obálka budovy nastavena na minimální požadovanou úroveň pro nZEB standard, tzn. U_em = 0,23 W/m².K, budova pro varianty technických systémů variantu 1 – zemní plyn, variantu 2 – tepelné čerpadlo, variantu 3 – kotel na dřevo automaticky splňuje požadavek pro nZEB i z pohledu neobnovitelné primární energie. Pro tyto varianty není nutné instalovat další systémy využívající OZE.
• Varianty využívající elektřinu jako hlavní energonositel nesplní při nejhorší možné obálce budovy požadavek na neobnovitelnou primární energii a je nutné pro tyto varianty uvažovat systém využívající OZE – fototermický nebo fotovoltaický solární systém, případně doplňkový zdroj tepla na biomasu (krbová vložka).

Obr. 6 Graf průběhu neobnovitelné primární energie Q_nPE v závislosti na obálce budovy a technickém systému

Závěr

Splnění požadavků na nZEB se řeší návrhem vhodné konstrukce obálky budovy (ovlivňuje především potřebu tepla na vytápění), výběrem energonositelů (faktorem primární energie se ovlivňuje množství neobnovitelné primární energie) a koncepcí technických systémů (účinnostmi ovlivňuje množství dodané energie). Tato studie rodinného domu ukázala na typických příkladech kombinace parametrů obálky budovy, energonositele a technického systému způsob, jakým lze dosáhnout splnění požadavků na nZEB. Závěry níže uvedené jsou platné pro řešený objekt a ukazují především způsob řešení problému dosažení standardu nZEB.

Základní varianty 1, 2 a 3 splní požadavky na energetickou náročnost budovy a při dosažení určitého standardu obálky budovy automaticky splňují požadavky na budovu s téměř nulovou spotřebou energie.

Základní varianty 4, 5, tzn. varianty využívající na provoz rodinného domu výhradně elektřinu, jsou nejlépe hodnoceny ve smyslu celkové dodané energie, nicméně ve smyslu neobnovitelné primární energie nesplňují legislativní požadavky a je nutné je doplnit o systémy využívající OZE, případně biomasu (dřevní hmotu).

Lze konstatovat, že v současnosti platné hodnotící kritérium pro nZEB je poměrně problematické a při jeho splnění je v některých případech splněno kritérium na neobnovitelnou primární energii pro nZEB, aniž by bylo nutné v objektu využívat skutečných obnovitelných zdrojů. Jedná se především o případy, kdy hlavním energonositelem je zemní plyn (spalovaný v účinném kotli) a elektřina, používaná pouze pro větrání (var. 1). Budovy takto navržené splní kvantifikované požadavky Vyhlášky, ale nenaplňují definici nZEB danou Zákonem a proto doporučujeme instalaci obnovitelného zdroje o velikosti, vyplývající z technicko-ekonomické analýzy daného případu. Obvyklým obnovitelným zdrojem, doplňujícím plynový kotel, může být krbová vložka spalující biomasu, fototermický nebo fotovoltaický systém.

V případu s tepelným čerpadlem, kde hlavním energonositelem je elektřina a energie okolního prostředí je se splněním požadavku na průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy současně splněn požadavek na neobnovitelnou primární energii. Tím, že energonositelem je kromě elektřiny i energie prostředí, je naplněn požadavek Zákona o využití obnovitelných zdrojů a instalace jakýchkoliv dalších obnovitelných zdrojů je na vůli investora.

Pokud byla hlavním energonositelem elektřina využívaná přímo pro vytápění, přípravu teplé vody a větrání, nebylo při splnění požadavku na průměrný součinitel prostupu tepla splněno kritérium maximální neobnovitelné primární energie ani požadavku Zákona. V tomto případě je proto nutná instalace obnovitelného zdroje, pokrývajícího minimálně takovou část celoroční potřeby energie, která zajistí splnění požadavků na neobnovitelnou primární energii. Obvyklým doplňkovým zdrojem je kotel na spalování biomasy, krbová vložka, fototermický nebo fotovoltaický systém.

Literatura

[1] Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů

[2] Vyhláška č. 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov

[3] Kabele, K., Urban, M., Přístup k budovám s téměř nulovou spotřebou energie In: Konference Vytápění Třeboň 2017. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017. ISBN 978-80-02-02712-6.

Seznam označení

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze – Fáze udržitelnosti