Zkušenosti z energetické optimalizace bytového domu Luka Living

O projektu

Jedná se o 15podlažní bytový dům s doplňující obchodní a administrativní funkcí, který je situován na stanici metra Luka v prostředí zástavby vysokopodlažních panelových domů. Hlavní osa objektu vyrůstající z obdélníkového půdorysného základu je orientovaná v severojižní ose. Z celkové energeticky vztažné plochy cca 18 900 m² činí přibližně 15 500 m² bytové prostory (přibližně 215 bytů), zbývajících 3 400 m² je rozdělena mezi obchodní prostory, administrativní část, wellness a restauraci.

Projekt je výjimečný nejen svojí architekturou a velikostí, ale především vizí, díky které byl vytvořen. Nejedná se o běžný developerský počin „postav a prodej“, ale jde o nájemní bydlení s hotelovými službami a plně vybavenými byty. Investorovi tak záleží dlouhodobě nejen na kvalitě a užitném komfortu samotného objektu, ale i na tom, jakým způsobem ovlivní své okolí.

Proces optimalizace

Optimalizace projektu je proces, jehož úkolem je zajistit hospodárné využití finančních prostředků investora a maximalizovat jeho užitek, neboli s přiměřenou výši útraty / investice pokrýt maximum potřeb investora.

Kontrola kvality

Výhodou optimalizačního procesu může být i pozice oponenta projektu, který vede diskusi s architektem, projektantem a jednotlivými profesemi o vhodnosti jejich návrhu. Konzultant zajišťující optimalizaci projektu se tak stává odborným zástupcem investora, kterému předkládá nezávislé a ucelené informace, tolik potřebné k řízení kontroly kvality projektu.

Aby byl správně nastaven proces optimalizace a oponentního posouzení, je vhodné, aby objednatelem služeb konzultanta byl přímo investor. V případech, kdy je objednatelem služeb dodavatel projektu, nelze ze strany oponenta zajistit nezávislost vůči investorovi, se kterým nemá smluvní vztah. V tomto případě pak konzultant chrání zájmy objednatele (dodavatele) proti investorovi.

Jsou-li součástí smluvního vztahu kvalitativní požadavky na projekt a stavbu samotnou, pak musí být kontrola plnění těchto požadavků zajištěna osobou nezávislou na dodavateli projektu. V případě energetické náročnosti to znamená, že energetické hodnocení projektu (např. průkaz energetické náročnosti budovy, vyhodnocení plnění požadavků investora) nesmí zpracovávat dodavatel projektu, ale zástupce investora.

Kladné stanovisko stavebního úřadu není možné považovat za ověření kvality projektové dokumentace. Stavební úřad kontroluje procesní správnost, ke kontrole kvality nemá potřebnou odbornost. Státní energetická inspekce jako orgán dozorující na požadavky zákona č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií má za povinnost zkontrolovat pouze soulad průkazu energetické náročnosti budovy s platnými legislativními dokumenty, nikoliv odbornou stránku použitých vstupních údajů.

Luka Living

Jak optimalizace začala

V rámci projektu Luka Living byl vytvořen oponentní tým, který se účastnil přípravy projektové dokumentace pro provedení stavby a chránil zájmy investora ve věci dosažení plnění požadavků na energetickou náročnost budovy a kvalitativní úroveň jejího provedení. Kvůli zařazení procesu optimalizace a oponenta až v úrovni dokumentace provedení stavby docházelo ke vzniku silných třecích ploch mezi dodavatelem a oponentním týmem.

Požadavkem investora z pohledu energetické náročnosti budovy bylo dosažení kategorizace v úrovni A na celkové dodané energii, deklarované průkazem energetické náročnosti budovy a využití principů výstavby energeticky pasivních budov.

Průkaz energetické náročnosti budovy zpracovaný v úrovni projektu pro stavební povolení odpovídal požadované kategorizaci. Přesto investor přizval zkušeného konzultanta, který se měl na jeho straně do projektu zapojit a přinést nové postřehy a nápady, jak projekt zefektivnit. Předběžnou analýzou projektu byly ze strany konzultanta vzneseny pochybnosti o souladu návrhu s desaterem návrhu pasivních budov a odborné kvalitě vypracovaného PENB. Podrobná analýza prokázala prvotní předpoklady a nesplnění požadavků investorem požadované kategorizace na úrovni A v případě korektního zpracování PENB.

Požadavek na kategorizaci dle PENB se ukázal jako stěžejní bod, kterým bylo možné dodavatele projektu přimět k potřebným úpravám projektu. Bez zakotevní tohoto požadavku ve smluvním vztahu by k požadovým úpravám pravděpodobně vůbec nedošlo.

Chyby v PENB

Podrobná analýza průkazu energetické náročnosti budovy ukázala významné odchylky vstupních dat od parametrů uvedených v projektové dokumentaci, provozních režimů a typického způsobu užívání. Níže je uveden nejzávažnější výčet odchylek:

• Nevhodně zvolené zónování suterénu objektu, kterým procházela celá řada vertikálních šachet či schodišťových a výtahových prostorů. Tyto prostory nebyly správně tepelně a vzduchotěsně izolovány od vytápěných i nevytápěných prostorů, které vzájemně propojovaly;
• Hodnocení nezohlednilo nevyřešený návrh tepelné ochrany budovy dle požadavků ČSN 73 0540-2:2011 na části konstrukcí v suterénu objektu (konstrukce bez izolace nebyly do výpočtu zahrnuty);
• V hodnocení byla chybně zadána část součinitelů prostupu tepla, která nezohledňovala:
  
  • návrhovou hodnotu součinitele prostupu tepla λ_u dle ČSN 73 0540-3,
  • zhoršující vlivy opakovaně se vyskytujících tepelně vodivějších konstrukčních prvků dle ČSN EN ISO 6946:2008 (např. kotevní systémy);
• Nevhodně zvolená přirážka k průměrnému součiniteli prostupu tepla ΔU_em, která byla odhadnuta ve výši ΔU_em = 0,02 W/(m².K). Na objektu se v návrhu vyskytovalo více než 2 000 m vysoce vyztužených ISO-nosníků a dále nebyly optimalizovány detaily přiléhající k suterénu. Reálná přirážka odpovídala ΔU_em > 0,06 W/(m².K);
• V obchodních prostorech, wellness a restauraci byly značně nadhodnoceny celkové vnitřní zisky (1,5 až 3násobek reálné hodnoty), které neodpovídaly provoznímu režimu a kapacitě restaurace;
• Prosklené plochy vykazovaly značně zjednodušená zadání, která významně navýšila solární tepelné zisky:
  
  • Nezohledněno stínění oken konstrukcemi (ostění, nadpraží, balkony, boční stěny) a okolní zástavbou (14patrová zástavba v okolí) podle ČSN EN ISO 13790:2009, přílohy G5. Reálné průměrné stínění odpovídalo hodnotě F_s,h = 0,69, uvažováno bylo F_s,h = 0,80–1,0;
  • Nereálná hodnota solární tepelné propusti g pro trojité zasklení;
  • Plocha zasklení okna nebyla stanovena podrobně, ale uvažována odhadem 70 %, reálná plocha zasklení odpovídala cca 61–74 %;
• Významné odchylky v zadání systému větrání, které neúměrně zvýšily tepelné ztráty v objektu:
  
  • Významně nadhodnocená výměna vduchu systém VZT ve všech zónách s výjimkou bytů. Uvažovány byly návrhové hodnoty bez zohlednění navrženého systému regulace po celou dobu provozu zóny;
  • Nadhodnocená účinnost instalovaných lokálních větracích jednotek s keramickými akumulačními výměníky v bytech a jejich poddimenzovaný návrhový vzduchový výkon;
  • Nezohlednění faktu, že instalovaný výkon digestoře při jejím spuštění vytvoří podtlak, ktery znemožní rekuperaci tepla lokální jednotkou VZT;
• Podhodnocená spotřeba teplé vody v prostoru wellness a restaurace;
• Chybné zadání parametrů technických systémů budovy a pomocných energií nezohledňující reálný provoz systému s ohledem na jeho regulaci.

Přestože hodnocení vykazovalo takové množství významných odchylek, celková spotřeba objektu vzrostla pouze o 25 %, u bytové části dokonce o 33 %. Důvodem bylo vzájemné vykrácení některých chyb. Nadhodnocená výměna vzduchu byla pokryta významě nadhodnocenými vnitřními a solárními zisky. Spotřeba energie bytové části se více než zdvojnásobila, naopak spotřeba energie prostoru restaurace klesla téměř na pětinu původně uvažované hodnoty. Na základě takového nevyladěného modelu není možné provést relevantní optimalizaci projektu.

Silné a slabé stránky

V rámci optimalizace bylo zpracováno podrobné hodnocení zohledňující reálný návrh a předpokládaný budoucí provoz tak, aby na základě funkčního modelu bylo možné správně analyzovat slabé a silné stránky projektu a navrhnout opatření, které budovu přiblíží energeticky pasivnímu standardu, kategorizují ji na úroveň A a umožní splnění podmínky připravovaného programu Nová zelená úsporám v oblasti novostaveb bytových domů.

Jako slabá stránka se ukázala složitost návrhu s ohledem na vzájemné propojení jednotlivých zón a jejich návazností na temperované či nevytápěné prostory. Tento koncepční nedostatek nebylo již možné napravit jinak než technickými opatření zajišťujícími plnění závazných požadavků na teplenou ochranu. Vznikla tak celá řada rizikových a velmi složitých detailů, které musejí být při realizaci individuálně kontrolovány. Návrh a optimalizace těchto detailů se ukázala jako velmi náročná disciplína pro všechny zúčastněné.

Silnou stránkou objektu byla jeho velikost a kompaktnost, která umožňovala plnění přísných požadavků na energetickou náročnost i v případě větší architektonické volnosti ztvárnění. Tepelně izolační úroveň obálky u takových objektů nehraje hlavní roli a je možné se držet i nad horní hranicí hodnot součinitelů prostupu tepla doporučených pro pasivní domy. Na celkové energetické bilanci se tak méně projevila i nízká kvalita navržených detailů. Přesto byly detaily pečlivě optimalizovány. Jako zásadní se ukázalo optimalizovat detail napojení balkonů a ozdobných prstenců tvořících podstatu architektonického návrhu. Celková délka ISO-nosníků přesahovala 2 km. Cílem bylo eliminovat jejich délku a zajistit kvalitu provedení.

Orientace převážné části bytových prostor je na východ, jihozápad a západ, což umožňuje efektivní získání sluneční energie. Přesto je slabou stránkou vysoké zastínění především vlastními konstrukcemi – balkony, ostění a boční stínění tvarem objektu. Nezadbatelné je i stínění okolní vysokou zástavbou mající vliv především na nižší patra východně a západně orientovaných bytů.

Koncept větrání bytové části objektu byl upraven tak, aby bylo v jednotlivých bytech realizováno kvalitní řízené větrání s rekuperací tepla (před optimalizací uvažován nefunkční lokální systém větrání pouze u ½ bytových jednotek). Tepelná ztráta větráním u takto kompaktního objektu se i v případě instalace centrálních bytových jednotek s protiproudým výměníkem podílí na celkových ztrátách 30 % (u pasivního rodinného domu se podíl pohybuje okolo 10 %).

Kategorizace A-A

Abychom u takto kompaktního objektu docílili kategorizace A v průkazu energetické náročnosti budovy, bylo nutné řešit energetický koncept komplexně a upravit i koncept přípravy teplé vody, návrh osvětlení a spotřebu pomocných energií.

Spotřeba energie na vytápění referenční budovy, od které se kategorizace odvíjí, tvořila jen 50 % celkové spotřeby energie. Budeme-li chtít dosáhnout kategorie A (odpovídá 50% hodnotě referenční budovy), musíme dosáhnout i velmi nízké spotřeby energie v ostatních dílčích spotřebách.

Druhou nejvýznamnější spotřebou je spotřeba energie na přípravu teplé vody. V rámci návrhu tedy byla navržena optimalizace spočívající v její decentrální přípravě bytovými předávacími stanicemi, čímž došlo ke snížení ztrát rozvodů a odstranění energeticky náročné cirkulace teplé vody. V rámci konceptu byl navržen i systém rekuperace tepla z odpadní vody v části bytových jednotek a instalace úsporných výtokových baterií omezujících množství spotřebované vody. Snahou bylo i snížit průměrnou teplotu ohřevu teplé vody na výtokové baterii.

Optimalizace osvětlovací soustavy představovala úpravu řízení osvětlení garážových prostor (regulace na základě čidla pohybu s aktivací vyšší míry osvětlenosti v daném místě) a návrh úsporných svítidel do bytové části budovy.

Snížení spotřeby energie na chlazení bylo dosaženo požadavkem na instalaci vnějších stínících prvků, které výrazně snížily tepelnou zátěž interiéru v letním období. Bez těchto stínících prvků nebyly splněny požadavky ČSN 73 0540-2:2011 na tepelnou stabilitu místností v letním období.

S ohledem na přísnost metodiky zatřídění objektu do kategorie A, především omezených možností u spotřeby teplé vody, byl ve fázi realizace udělán ústupek požadavku investora a to, že celý objekt může být zatříděn do kategorie B, na hranici hodnocení A/B, ale ucelená bytová část objektu musí být kategorizována.

Konstrukce obálky budovy

Obvodové žělezobetonové stěny jsou tepelně izolovány minerální tepelnou izolací (λ_D = 0,036 W/m.K) v tloušťce 240 mm s optiamlizovanými kotvami s tepelněizolační zátkou.

Plochá jednoplášťová střešní konstrukce je převážně tepelně izolována EPS 200 S ve spádu v tl. 220–330 mm s přitížením kačírkem, nad 1. NP je doplněna vegetačním souvrstvím. Terasy jsou řešeny obdobnou skladbou s tepelnou izolací EPS 200 S v tloušťkách cca 200–290 mm s rektifikací a dlažbou.

Stropní konstrukce k nevytápěnému suterénnímu prostoru je řešena kontaktní tepelnou EPS ze strany suterénu (λ_D = 0,039 W/m.K) v tl. 200 mm a tepelnou izolací ze šedého polystyrenu (λ_D = 0,032 W/m.K) ve skladbě podlahy v tl. 60 mm.

Stěny a ostatní konstrukce vytápěných (temperovaných) schodišťových prostor k nevytápěnému suterénu jsou izolovány minerální tepelnou izolací (λ_D = 0,036 W/m.K) v tloušťce 100 mm. Tepelněizolačně dle požadavků ČSN 73 0540-2:2011 jsou odděleny i jednotlivé byty od společných chodeb, centrálního vertikálního komunikačního prostoru a části vertikálních šachet. Jedná se o prostory s návrhovou teplotou o 5–10 °C nižší než bytové prostory.

Tab. 1 – Součinitele prostupu tepla převládajících konstrukcí

Konstrukce	Navržená hodnota Ui W/(m2.K)	Doporučená hodnota Upas,20 W/(m2.K)	Požadovaná hodnota UN,20 W/(m2.K)
Obvodová stěna	0,16	0,12–0,18	0,30
Střecha	0,15	0,10–0,15	0,24
Terasa	0,16	0,10–0,15	0,24
Konstrukce k nevytápěným prostorám	0,15–0,21	0,20–0,30	0,60
Otvorová výplň	0,72	0,80	1,50
Lehký obvodový plášť	0,80	0,80	1,50

Zdroj: PORSENNA o.p.s.

Výsledné hodnocení obejektu

Dílčí sledované energetické ukazatele projektu uvádí Tabulka 1 pro bytovou část objektu i pro objekt jako celek.

Tab. 2 – Výsledné sledované energetické ukazatele prosjektu

Sledovaný parametr	Označení jednotky	Vypočtené hodnoty
		Bytová část	Celý objekt
Výsledná klasifikace dle PENB	–	A-A	A(B)-A
Měrná roční potřeba tepla na vytápění	EA [kWh/(m2.a)]	9,0	12,0
Měrná neobnovitelná primární energie	EpN,A [kWh/(m2.a)]	46	79
Průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy	Uem [W/(m2.k)]	0,36	0,33
Klasifikační ukazatel CI	Uem / Uem,N [–]	0,59	0,57
Faktor tvaru budovy	A/V [m2/m3]	0,19	0,23
Poměr celkových využitelných solárních zisků a tepelných ztrát okny	Qs / Ql [%]	80 %	–

Zdroj: PORSENNA o.p.s.

Splnění požadavku na měrnou potřebu tepla na vytápění definovanou programem Nová zelená úsporám (E_A = 15 kWh/m² za rok) pro ucelenou bytovou část by bylo možné splnit i v případě, že by všechny dílčí součinitele prostupu tepla byly na úrovni doporučené hodnoty normy U_rec,20, klasifikační ukazatel by se tedy rovnal CI = 0,75. To znamená, že zateplení obvodových stěn (viz následující popis) by bylo realizováno namísto 240 mm tloušťkou cca 170 mm. Tento případ je ojedinělý s ohledem na velmi kompaktní tvar objektu (A/V = 0,19), čímž je kladem menší důraz na obálku a větší na větrání objektu.

Nastavení přísnějších hodnot dílčích součinitelů prostupu tepla bylo nezbytné s ohledem na požadavek investora na klasifikační třídu A, jejíž dosažení u takto kompaktních budov je velmi obtížné.

Za povšimnutí také stojí nízký poměr celkových využitelných solárních zisků k tepelným ztrátám oken (80 %), který by u rodinného domu s vysokým faktorem A/V předznamenával nesplnění požadavků na měrnou potřebu tepla na vytápění stanovenou pro pasivní domy. U kompaktních domů je orientace objektu a celková bilance oken spíše vedlejším než hlavním ukazatelem.

Z grafického znázornění rozložení tepelných ztrát a zisků lze dále vyčíst vysoký poměr ztrát tepelnými vazbami (tepelnými mosty) s podílem téměř 12 %, tedy více než ztárty střešní konstrukcí. Dominantní tepelnou ztrátu nevykazují obvodové stěny, jak bývá obvyklé, ale okna. Je to dáno více než 30% prosklením fasády a současně 4,5násobným součinitelem prostupu tepla oken oproti navrženým stěnám.

Závěr

Jako stěžejní prostředek investora pro zajištění plnění požadavků na energetickou náročnost je správné nastavení „pravidel hry“ již v úrovni architektonické soutěže. Podmínky pro energetickou náročnost by měly být nastaveny zkušeným konzultantem tak, aby zajistily plnění požadavků investora v průběhu celé realizace záměru a průběžnou kontrolu kvality.

Správným okamžikem zapojení oponentního týmu je návrh ideového konceptu budovy (studie). Zde lze správným výběrem vítězného návrhu a následnou vzájemnou diskusí zajistit hospodárnost projektu a nastartovat proces společné tvorby, čímž nejsou významně narušeny vzájemné vztahy dodavatele a oponenta.

Samotná optimalizace je odbornou diskusí nad koncepčním návrhem a širokou škálou technických opatření, které je možné na objektu realizovat. Odborná diskuse vedená v průběhu optimalizace je právě tím cenným procesem, který v dnešním konkurenčním prostředí a době soutěží na cenu téměř vymizel. Umožní tak investorovi správné řídzení kontroly kvality již od prvních tahů tužkou. Optimalizační návrh lze provést pouze na správně kalibrovaném a nastaveném hodnocení energetické náročnosti budovy, které ovšem nelze provést v běžné ceně dnes zpracovávaného PENB. Prostředky, vložené do této časti projektu, se však investorovi vrátí v okamžiku zabránění realizace první chyby uvedené v projektu.

Vedení odborné diskuse a celková optimalizace projektu se v současné praxi tlačící na rychlost a nízkou cenu zpracování ukazuje jako zásadní problém, na nějž nejsou zpracovatelé projektových dokumentací zvyklí. Novým bodem je i nezávislá kontrola kvality v průběhu projektové dokumentace, na kterou si projektový tým musí zvyknout a pochopit, že jejím smyslem je eliminace chyb a nesrovnalostí a cílem kvalitnější projekt. Celý proces tak není ve své podstatě nepřátelskou akcí proti projektantovi, ale pomocnou rukou.

Až při řešení takto komplexního a složitého objektu s požadavky na vysoký energetický standard a klasifikací dle PENB v A-A se plně projevila omezení a nedořešené části vyhlášky č. 78/2013 Sb. a TNI 730331 uvádějící metodiku hodnocení energetické náročnosti budovy. Současně se jako zásadní projevila podrobnost volby zónování objektu a jeho návaznost na reálné stavební řešení. Tyto zkušenosti budou dále využity ke zdokonalení metodiky řešení PENB a nastavení parametrů referenční budovy ve vyhlášce č. 78/2013 Sb.