Jaké náklady má energeticky nulový dům?

Úvod

Evropská směrnice o energetické náročnosti budov z roku 2010 [1] naznačila jasnou vizi výstavby moderních budov po roce 2020 jako „budov s nízkou energetickou náročností, jejíž spotřeba energie je ve značném rozsahu pokryta energií z obnovitelných zdrojů, které jsou v místě či jeho okolí“. Tím byly definovány tzv. téměř nulové budovy jako budovy s minimalizovanou potřebou neobnovitelné primární energie díky kombinaci energeticky úsporného stavebního řešení, účinných technických systémů a použití obnovitelných zdrojů ve značném rozsahu.

Přestože zákon 318/2012 Sb. [2] o hospodaření energií převzal definici do české legislativy, tvůrci prováděcí vyhlášky 78/2013 Sb. [3] nastavením kritérií v podstatě prohlásili za téměř nulovou obytnou budovu (rodinný dům, bytový dům) dobře zateplenou budovu bez využití jakýchkoli obnovitelných zdrojů, vytápěnou plynovým kotlem [4], v případě administrativní budovy dokonce budovu vytápěnou elektrickou energií z neobnovitelných zdrojů [5]. Takové nastavení kritérií postrádá jakoukoli ambici na směrnicí zamýšlený posun výstavby k budovám s minimalizovaným vlivem na životní prostředí.

Nastavení české „téměř nulové budovy“ se tak přirozeně výrazně odlišuje od doporučení Komise [6], které pro budovu s téměř nulovou spotřebou energie stanovuje v kontinentální oblasti (tedy i ČR) rozsah 20 až 40 kWh/m².rok neobnovitelné primární energie. Pro srovnání budovy považované za téměř nulové podle české legislativy se pohybují na úrovni 100 až 150 kWh/m².rok neobnovitelné primární energie.

Obr. 1 – Roční bilance neobnovitelné primární energie budovy

Obr. 2 – Rozdíl v bilanci rodinného a bytového domu

Dnešní snahy developerů budov však jdou i nad rámec ambiciózního evropského doporučení a občas se lze setkat s domy prohlašovanými za energeticky nulové či dokonce plusové. To je umožněno především nerealistickým způsobem hodnocení, který se u budov v souladu s evropskou legislativou a normami v současné době používá. Neobnovitelná primární energie se stanovuje na základě roční bilance energetických toků. V praktickém výpočtu to znamená, že spotřebu různých druhů energií (energonositelů) v zimním období lze vykompenzovat letní produkcí a exportem obnovitelné energie do nadřazených sítí (viz obr. 1), nejčastěji fotovoltaicky vyrobené elektrické energie, bez ohledu, zda je taková možnost reálná technicky či ekonomicky. Energeticky nulovou budovou je potom budova, u které je celková roční bilance toků energonositelů přepočtených na neobnovitelnou primární energii nulová. U rodinných domů je pak energeticky nulová budova dána jednoduše především velikostí střechy, resp. fotovoltaického systému, který v létě vyrobí tolik elektrické energie, že její úspora neobnovitelné primární energie vykompenzuje spotřebu energonositelů ve zbylé části roku. U bytových domů se jedná už o situaci složitější, neboť střecha bytových domů pro umístění FV systému je relativně malá vzhledem k potřebě budovy, zvláště vzhledem ke spotřebě elektrické energie, viz obr. 2.

Na příkladu konkrétního bytového domu je celá problematika hodnocení energeticky nulového domu naznačena, jednak z pohledu volby zdrojů energie pro vytápění, přípravu teplé vody, větrání, osvětlení, nicméně také s ohledem na uživatelskou spotřebu elektrické energie (zahrnutí domácích spotřebičů běžně není součástí hodnocení budov).

Bytový dům

Obr. 3 – Uvažovaný bytový dům

Dům je tvořen čtyřmi nadzemními podlažími a jedním podzemním podlažím. V nadzemních podlažích se nachází 10 bytových jednotek od malých bytů 50 m² (1+kk) až po velké byty o rozloze 130 m² (4+kk). Podzemní podlaží je určeno převážně pro parkovací stání. Dům má tvar kompaktního hranolu s balkóny po celém obvodu, které se v posledním podlaží mění na obytné terasy. Podlahová plocha domu je 865 m² a objem budovy 2283 m³. Podle velikosti a dispozic bytů se předpokládá 28 obyvatel domu [7].

Konstrukční systém v nadzemních patrech domu je navržen převážně příčný stěnový, který na úrovni 1. PP přechází do skeletového systému. Svislé nosné konstrukce jsou navrženy jako železobetonové stěny tloušťky 200 až 300 mm s kontaktním zateplením.

Analýza variant

V prvním kroku analýzy byla definována referenční varianta budovy z pohledu stavebního řešení, způsobu větrání, osvětlení a spotřebičů (uživatelská energie), v druhém kroku byla provedena analýza možných zdrojů energie a jejich kombinací, které pro daný bytový dům povedou k nulové roční bilanci neobnovitelné primární energie.

V tab. 1 jsou porovnány čtyři varianty stavebně-technického řešení bytového domu, tři jsou postaveny na doporučených hodnotách součinitele prostupu tepla konstrukcí s běžným hybridním větráním (1a–1c) při různé náročnosti osvětlení (běžné, LED) a spotřebičů (třída A a třída A++), čtvrtá varianta uvažuje výstavbu v pasivním standardu včetně mechanického větrání s rekuperací tepla v kombinaci s úspornějším osvětlením a úspornějšími spotřebiči (1d).

Všechny varianty uvažují jako zdroj tepla plynový kotel s ročním stupněm využití paliva 94 % a jako zdroj elektrické energie rozvodnou síť.

Referenční varianta

Podle očekávání, nejnižší náročnost na neobnovitelnou primární energii vykazuje varianta domu v pasivním standardu (1d), nicméně s ohledem na investiční vícenáklad 0,74 mil. Kč spojený s jeho dosažením byl nakonec jako základní varianta stavebně-technického řešení (referenční varianta) zvolen nízkoenergetický standard, ovšem s vybavením úspornějšími spotřebiči a osvětlením (varianta 1c), jejichž nízká spotřeba elektrické energie může mít významný vliv na roční bilanci neobnovitelné primární energie.

Porovnávané varianty

V dalším kroku byly prověřeny možnosti využití různých zdrojů tepla pro vytápění a přípravu teplé vody v kombinaci s FV systémem, který má velký potenciál ke snížení neobnovitelné primární energie, vzhledem k produkci obnovitelné elektrické energie, která nahrazuje elektrickou energii z rozvodné sítě s vysokým konverzním faktorem (podle vyhlášky hodnota F = 3,0). V tab. 2 jsou uvedeny následující varianty:

2. kombinace plynového kotle a FV systému;
3. kombinace tepelného čerpadla vzduch-voda a FV systému;
4. kombinace kotle na pelety a FV systému
5. varianta elektrického ohřevu a FV systému.

FV systém je v uvedených variantách uvažován pro pokrytí celé využitelné plochy střechy o instalovaném výkonu 19,8 kW_p (celkem 134 m² FV panelů).

Na rozdíl od tab. 1 jsou hodnoty spotřeb v tab. 2 uváděny již jako přepočtené na neobnovitelnou primární energii příslušnými konverzními faktory v souladu s vyhláškou [3].

Z tab. 2 je patrné, že použití plynového kotle (varianta 2) a použití tepelného čerpadla (varianta 3) v bytovém době nabízí podobnou náročnost na neobnovitelnou primární energii. Sezónní topný faktor soustavy s tepelným čerpadlem v režimu vytápění dosáhl hodnoty 3,34, u přípravy teplé vody byl daleko nižší a pohyboval se okolo hodnoty 2,5.

Varianta 4 s kotlem na pelety (při uvažované roční účinnosti 82 %) s velice nízkým konverzním faktorem pro průmyslově zpracovanou biomasu (F = 0,2) dosáhne jako jediná z uvedených variant díky produkci FV systému na hodnotu výsledné bilance menší než nula. Z nízkých spotřeb neobnovitelné primární energie pro vytápění pak vyplývá, že je v podstatě zbytečné v rámci této varianty provádět nějaká další úsporná stavebně technická opatření pro snížení potřeby tepla (např. posun do pasivního standardu, zavedení větrání s rekuperací tepla), neboť vliv na výsledek by byl velice zanedbatelný [7].

Naopak, potenciál dalšího snížení hodnoty bilance neobnovitelné primární energie leží pouze v úsporách elektrické energie, případně ve zvýšení její místní produkce. Z těsného splnění kritéria energeticky nulové budovy je také zřejmé, že pokud by dům měl o jedno podlaží více, nebude možné s uvažovanými zdroji energie bilanční nuly jakkoli dosáhnout.

Varianta 5 je zde uvedena spíše pro doplnění, aby bylo v porovnání jasné, kam vede použití elektrického vytápění a elektrického ohřevu vody i přes použití FV systému. Hodnoty bilance neobnovitelné primární energie jsou dokonce o 50 % vyšší než referenční varianta s plynovým kotlem bez FV systému. V analýze nebyla uvažována varianta s akumulací elektrické energie, neboť taková instalace je v současnosti investičně daleko náročnější než jakékoli z uvedených řešení.

Porovnání nákladů

Poněkud problematickým se hodnocení energeticky nulového domu metodou roční bilance neobnovitelné primární energie stane, pokud je cílem také stanovení ročních provozních nákladů. Zatímco roční bilance stanovuje celkovou roční dodanou a exportovanou energii po jednotlivých energonositelích a po přepočtu na neobnovitelnou primární energii se jednoduše odečte, pro stanovení reálných nákladů (a reálných spotřeb energie) takto výpočet provést nelze. Zatímco v zimním období bytový dům spotřebovává značnou část energie, za kterou je nutné dodavateli zaplatit, produkce elektrické energie FV systému v letním období vykazuje naopak přebytky. Pokud lze přebytky vůbec dodat do rozvodné sítě, tak výkupní cena elektrické energie z FV systému se v současnosti pohybuje na úrovni 0,3 až 0,5 Kč/kWh elektrické energie.

Varianta splňující kritérium energeticky nulového domu

Pro vyhodnocení reálných nákladů varianty 4 splňující kritérium energeticky nulového domu byla proto provedena detailní hodinová bilance spotřeby elektrické energie bytovým domem s uvažovaným profilem odběru elektrické energie [8] a produkce elektrické energie FV systémem. Z bilance vyplývá roční využití cca 39 % celkové produkce elektrické energie z FV systému, tzn. 61 % produkce musí být exportováno do sítě. V tab. 3 jsou porovnány náklady na provoz bytového domu v referenční variantě (plynový kotel, elektrická energie z rozvodné sítě) a ve variantě nulového domu (varianta 4, kotel na pelety, FV systém).

Náklady na provoz zdrojů tepla vycházejí z ceny energie (spalného tepla) zemního plynu 1,46 Kč/kWh a ceny energie dřevních pelet 1,09 Kč/kWh (5 Kč/kg při výhřevnosti pelet 16,5 MJ/kg). Pro stanovení nákladů na elektrickou energii odebíranou z rozvodné sítě byla pro byty uvažována cena elektrické energie 4,1 Kč/kWh. Celkové provozní náklady na referenční variantu bytového domu s plynovým kotlem a odběrem elektrické energie pouze ze sítě se pohybují okolo 139 tis. Kč/rok. Varianta se zdroji energie, které posouvají bytový dům do kategorie energeticky nulový dům, vykazuje provozní náklady 93 tis. Kč, tj. pouze o jednu třetinu nižší.

Na základě cenových nabídek byl vyhodnocen rozdíl v investičních nákladech mezi variantou 4 a variantou 1 ve výši okolo 940 tis. Kč. Při rozdílu v provozních nákladech 46 tis. Kč/rok je prostá doba návratnosti investice do systémů pro dosažení kritéria energeticky nulového domu zhruba 21 let. Je to málo nebo je to hodně?

Závěr

Analýza opatření pro dosažení kritéria energeticky nulového bytového domu z pohledu neobnovitelné primární energie ukázala několik zajímavých výsledků. Předně, z uvažovaných variant běžných zdrojů energie lze energeticky nulového bytového domu dosáhnout pouze kombinací zdroje tepla na spalování biomasy s FV systémem s pokrytím celé střechy. V případě vyšší budovy již ani tato varianta zdrojů energie na kritérium energeticky nulového domu nedosáhne.

V případě použití uvedené kombinace zdrojů energie se výsledek hodnocení stává relativně necitlivým na stavební řešení, přechod do pasivního standardu či jiné způsoby úspory tepla bilanci významně nezlepší. Je dáno jednak velmi nízkým konverzním faktorem neobnovitelné primární energie pro dřevěné pelety, tzn. úspory tepla se neprojeví tolik jako související spotřeba elektrické energie na VZT jednotku (předepsaná instalace nuceného větrání s rekuperací tepla).

Zajímavým výsledkem je však zjištění, že energeticky nulový bytový dům má relativně vysoké provozní náklady na energie. Oproti referenčnímu řešení bytového domu s plynovým kotlem má energeticky nulový bytový dům pouze o jednu třetinu nižší reálné náklady na energie. To může uživatele takového domu s deklarovanou „nulovou spotřebou energie“ v budoucnosti velice překvapit.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.

Literatura

1. Směrnice 2010/31/ES o energetické náročnosti budov, Brusel, 2010.
2. Zákon 318/2012 Sb. o hospodaření energií, MPO 2012.
3. Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov, MPO 2013.
4. URBAN, M., KABELE, K. Vliv legislativních požadavků kladených na energetickou náročnost budov vzhledem k využití alternativních zdrojů energie. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2014, str. 213–219, 2014.
5. URBAN, M., BEJČEK, M., WOLF, P., VODIČKA, A. Koncept administrativní budovy jako budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Sborník konference Alternativní zdroje energie 2016, str. 193–200, 2016.
6. Doporučení Komise (EU) 2016/1318 ze dne 29. července 2016 o pokynech na podporu budov s téměř nulovou spotřebou energie a osvědčených postupů k zajištění, aby do roku 2020 byly všechny nové budovy budovami s téměř nulovou spotřebou energie, Brusel 2016.
7. ŤOPEK, V. Návrh energeticky nulového bytového domu. Diplomová práce 13-TŽP-2016, ČVUT v Praze, 2016.
8. STANĚK, K. Fotovoltaika pro budovy, GRADA Publishing 2013. ISBN 978-80-247-4278-6