Ekonomika zdrojů energie pro rodinný dům

Článek se věnuje výpočtům spojeným s variantami řešení stavební konstrukce a energetického systému tří různých rodinných domů. Hodnocena jsou různá řešení stavební konstrukce ve vztahu k energetické náročnosti s vyjádřením návratnosti investice. Dále je provedeno pro vybranou variantu stavebního řešení porovnání zvolených zdrojů tepla. Při ekonomickém hodnocení variant je vždy důležité zohlednit místní podmínky a veškeré náklady spojené s budovou a zdroji energie. Nezanedbatelnou položkou je i komfort. Výhodnost investice může být také výrazně ovlivněna dotačními tituly.

Recenzent: Michal Kabrhel

Požadavky na tepelně-technické vlastnosti staveb jsou postupně více a více zpřísňovány. Pokud porovnáme základní požadavky normy pro tepelnou ochranu budov ČSN 73 0540 z roku 1994 s aktuálně platnou verzí z roku 2011 (v době vzniku tohoto článku vzniká další aktualizace normy) je zřetelné výrazné snižování hodnot součinitelů prostupu tepla u všech stavebních konstrukcí. To znamená, že výrazná pozornost byla, a stále je, věnována zejména stavebním konstrukcím. Otázkou však zůstává, do jaké míry je čím dál větší snaha o tzv. zateplování budov efektivní? Resp. opravdu se vyplatí většinu investičních nákladů cílit tak, aby bylo dosaženo co nejnižších hodnot součinitele prostupu tepla stavebních konstrukcí? Při těchto úvahách je vždy nutné správně pochopit smysl principu snižování energetické náročnosti budov a hledat správná energeticky efektivní řešení pro každý dům samostatně, protože jedno tzv. univerzální řešení na všechny stavby v tomto případě opravdu nemůže fungovat.

Článek se proto zaměří na základní energetickou bilanci u tří různých projektů rodinných domů a vždy pro různá provedení jak tepelně- technických vlastností stavebních konstrukcí, tak i dalších moderních technologií TZB. V další části pak bude ukázána vazba stavebních vlastností projektu na možnosti použití zdrojů tepla pro potřeby pokrytí energie na vytápění, přípravu teplé vody a vlastní potřebu elektrické energie na provoz domu ve vazbě na ekonomické hodnocení.

Projekty rodinných domů

Při výběru rodinných domů byl kladen důraz na rozmanitost typů staveb. Konkrétně na počet pater, tvar domu, typ střechy a v neposlední řadě také na velikost a druh oken. Pro výpočty byla do všech tří domů uvažována čtyřčlenná rodina v obvyklém obsazení – dva dospělí a dvě děti.

Rodinný dům č. 1

Jako první dům byl zvolen přízemní rodinný dům střední velikostní kategorie. S dispozicí 4+1 a svou celkovou užitkovou plochou 151,2 m². Stěna obývacího pokoje, směřující na prostornou krytou terasu, je tvořena francouzskými okny. Kromě těchto oken slouží k vchodu na terasu zadní vchod vedoucí z hlavní chodby domu a prosklené dveře z jedné ze tří ložnic. Hlavní vchod je orientován na západ, dům se svým řešením hodí i pro osoby se sníženou schopností pohybu (obr. 1).

Rodinný dům č. 2

Jako druhý typ stavby byl vybrán dvoupodlažní dům s přilehlou garáží. Se svou dispozicí 5+1 a užitkovou plochou 176,9 m² nabízí více prostoru než dům č. 1. Pro přístup na nekrytou terasu, která je si­tuována na jih, slouží francouzská okna v obývacím pokoji (obr. 2).

Rodinný dům č. 3

Jako třetí stavba byl vybrán taktéž dvoupodlažní dům střední kategorie s celkovou užitkovou plochou 163,3 m² a dispozicí 4+1. Dům je řešený stavebně svou geometrií odlišně ve srovnání s domy č. 1 a č. 2 (obr. 3).

Návrh provedení stavby s ohledem na tepelně-technické vlastnosti – technické provedení stavby

Na základě návrhu stavebních konstrukcí byly provedeny výpočty tepelných ztrát, tepelných zisků a ročních potřeb tepla pro všechny tři vybrané rodinné domy. Návrhy a výpočty jsou navrženy pro dva energetické standardy, konkrétně pro tzv. nízkoenergetický a pasivní standard v souladu s normou ČSN 73 05040-2. Všechny dále uvedené parametry splňují požadavky na energetickou náročnost dle vyhlášky č. 78/2013 Sb., která v době zpracování textu byla platná. Cílem ­porovnání je zjištění, za jakých podmínek se vyplatí investice do kvalitnější konstrukce domu, například větší tepelně-izolační vrstvy, do kvalitnějších oken či do řízeného větrání domu se zpětným získáváním tepla. Princip těchto jednotlivých opatření je názorně vidět v tab. 1.

Základní členění stavebních konstrukcí je provedeno jako:

• a) Typ oken
  – první = jednoduché dvojsklo U_w = 1,3 W·m^–2·K^–1,
  – druhý = tzv. standardní dvoj­sklo U_w = 1,2 W·m^–2·K^–1,
  – třetí = trojsklo U_w = 0,7 W·m^–2·K^–1.
• b) Obvodové konstrukce
  – varianta bez přidané tepelné izolace = vnější zdivo je tvořeno pro va­riantu bez tepelné izolace cihelnými bloky HELUZ Family 30 ­vyhovují doporučeným hod­notám součinitelů prostupu tepla dle ČSN 73 0540-2 (U_st = 0,21 W·m^–2·K^–1),
  – varianta s přidanou tepelnou izolací = stejné zdivo doplněné tepelnou izolací a vyhovují doporučeným hodnotám součinitelů prostupu tepla pro pasivní domy dle ČSN 73 0540-2 (U_st = 0,12 W·m^–2·K^–1). Obdobně jsou vytvořeny podlahy a střecha tak, aby parametry byly v souladu s ČSN 73 0540-2 pro oba návrhy typu konstrukcí.
• c) Způsob větrání
  – přirozené větrání bez zpětného získávání tepla, nebo nucené rovnotlaké větrání se zpětným získáváním tepla.

Pro zhodnocení navržených opatření a vybrání nejlepších variant pro podrobnější ekonomickou analýzu bylo provedeno předběžné vyhodnocení investičních nákladů na stavbu a provozních nákladů na vytápění pro všechny tři řešené domy dle tab. 1. Tab. 2, 3 a 4 prezentují roční potřebu energií řešených rodinných domů. Potřeba tepla na vytápění je vypočtena v souladu s ČSN EN ISO 52016-1, včetně zahrnutí různých vlastností zasklení při vyčíslování solárních zisků do celkové bilance [4]. Potřeba tepla na přípravu teplé vody je stanovena v souladu s normou ČSN EN 12831-3 (4 osoby) [7]. Předpokládané investiční náklady navržených stavebních prvků a systému nuceného větrání s rekuperací, včetně rozvodů vzduchu, u všech variant nezahrnují cenu práce. Předpokládaná doba návratnosti je pak uvedena v následujících grafech. Varianty jsou pro toto první vyhodnocení porovnány při pevné ceně energií na vytápění a přípravu teplé vody shodně, a to ve výši 2,2 Kč·kWh^–1. Pro provozní náklady bylo také uvažováno s 4% inflací. Z průsečíků křivek jednotlivých variant můžeme odečíst návratnost investic do stavebních konstrukcí či kvalitnějších oken nebo technologie nuceného větrání se zpětným získáváním tepla. Na základě tohoto předběžného vyhodnocení pak byly vybrány dvě nejvhodnější varianty, které byly podrobeny podrobnějšímu rozboru stran zdroje tepla a reálné ceny energií.

Jako nejvýhodnější k variantě 0 (tj. bez jakýchkoli nadstandardních opatření) se z pohledu počátečních investic a provozních nákladů na vytápění a přípravu teplé vody jevila varianta 1c a 2a. U varianty 1c do energetické bilance domu vstupuje pouze investice do nuceného sytému větrání se zpětným získáváním tepla. Skladba stavebních konstrukcí odpovídala základním požadavkům doporučených hodnot ČSN 73 0540-2 a průhledné konstrukce měly osazeny základní typ plastových oken a dveří. To samozřejmě znamená, že varianta 1c má ze všech variant nejnižší investiční náklady. Varianta 2a byla variantou tzv. pasivního domu. Tzn., že byla ke standardním požadavkům na tepelně-technické konstrukce použita dodatečná tepelná izolace tak, aby výsledné hodnoty součinitelů prostupu tepla konstrukcí odpovídali přísnějším limitům dle ČSN 73 0540-2, nicméně okenní výplně byly osazeny standardním dvojsklem (U_w = 1,2 W·m^–2·K^–1). Varianta 2a měla (stejně jako u varianty 1c) navrženou rekuperační jednotku pro zajištění nuceného větrání se zpětným získáváním tepla.

Průběhy investičních a provozních nákladů ukazují obr. 4, 5 a 6. Pro variantu 1c byla návratnost investic mezi 6 až 8 lety, což je relativně krátká doba s ohledem na celkovou životnost domu. I varianta 2a byla dalším zajímavým příkladem. Návratnost investičních nákladů se pohybovala v rozmezí 10 až 12 let a rozdíl provozních nákladů na vytápění za 25 let provozu domu oproti nulté variantě je více než 580 000,– Kč (u RD1), 480 000,– Kč (u RD2) a téměř 780 000,– Kč (u RD3). Podobné trendy a rozdíly nákladů po 25 letech provozu ukazuje také varianta 2b (tj. investičně nejdražší varianta), která má dobu návratnosti vyšší ve srovnání s variantou 2a cca o 2 až 3 roky u domů RD1 a RD2. Naopak u domu RD3 je pak doba návratnosti investic u variant 2a a 2c téměř stejná, to je způsobeno odlišnou geometrií domu ve srovnání s RD1 a RD2. RD3 má geometrií dán nejvyšší podíl ochlazovaných venkovních neprůsvitných stěn vůči celkové obálce budovy. Na druhou stranu při pohledu na grafy na obr. 4 až 6 je ale také vidět, že teprve po 25 a více letech provozu domu se vyšší investiční náklady do varianty 2b vrátí ve smyslu porovnání s variantou 2a. Je na místě připomenout, že rozdíl mezi variantou 2b a 2a je pouze v lepší kvalitě zasklení u varianty 2b.

Volba zdroje tepla vs. ceny energií – ekonomické zhodnocení

Pro reálné vyjádření provozních nákladů a stanovení reálné doby návratnosti jednotlivých investic je nutné znát ceny energií. Jako zdroje tepla pro posuzované rodinné domy byly vybrány – tepelné čerpadlo vzduch-voda – zdrojem energie elektřina, plynový kondenzační kotel – zemní plyn a předávací stanice tepla – tj. využití centrálního zásobování teplem. Tyto zdroje byly vybrány pro svou možnost plně automatického tj. zcela bezobslužného provozu.

Dále prezentované výsledky zahrnují všechny tři řešené domy, stavebně provedené v úpravě dle vybraných variant 1c a 2a. K potřebě energie na vytápění a přípravu teplé vody byla přidána také roční potřeba elektrické energie na ostatní spotřebiče, která pro čtyřčlennou domácnost je cca 5800 kWh.

Dále je uvažováno s vlastní spotřebou elektrické energie pro pohon ventilátorů rekuperační větrací jednotky ve výši 1300 kWh za rok. Cena otopné soustavy není v ekonomickém vyhodnocení uvažována, protože je pro všechny tři va­rianty zdrojů tepla stejná.

Nejprve byla provedena rešerše vývoje cen vybraných energetických komodit za posledních 10 let. Pro ekonomické vyhodnocení pak byl uvažován odhad cen energií na následujících 20 let za předpokladu, že se vývoj cen dramaticky nezmění a bude pokračovat v podobném tempu růstu. Uvažované ceny ukazuje tab. 5.

1) Elektřina

Při využití tepelného čerpadla vzduch-voda je výhodou, že lze využít výhodnější sazbu elektřiny pro celý provoz rodinného domu. Konkrétně se jedná o dvoutarifovou sazbu D 56d, při které je využíván 22 hodin denně nízký tarif a pouze 2 hodiny denně vysoký tarif. Tato sazba platila od 1. 4. 2005, ale od 1. 4. 2016 byla pro nově instalovaná zařízení nahrazena dvoutarifovou sazbou D 57d. Sazba D 57d využívá nízký tarif 20 hodin denně a 4 hodiny vysoký tarif. Průběh ceny elektřiny za 1 kWh v období od roku 2009 do roku 2020 pro obě uvedené sazby prezentuje obr. 7. Tepelné čerpadlo vzduch-voda, navržené pro systém vytápění a přípravu teplé vody vč. zásobníku atd., je uvažováno s počáteční investicí cca 200 000,– Kč a průměrným sezonním topným faktorem na vytápění SPF_VYT = 3,3 (nízkoteplotní otopná soustava) a na přípravu teplé vody SPF_TV = 2.6. Cena za 1 kWh je pro další výpočty uvažována dle sazby D 57d a je stanovena váženým průměrem časového využití sazby na hodnotu 2,77 Kč·kWh^–1.

2) Zemní plyn

Cena za zemní plyn se liší v závislosti na roční spotřebě – odběru komodity. V grafu na obr. 4 je vidět vývoj ceny plynu za 1 kWh od roku 2009 do 2020 pro dvě oblasti předpokládaného odběru, a sice od 1,89 do 7,56 MWh za rok a od 7,56 do 15 MWh za rok.

Z grafu na obr. 8 také vyplývá, že dramatické změny v ceně zemního plynu v čase jsou ve srovnání se změnami v ceně elektřiny nižší. Kromě přípravy tepla na vytápění nám plynový kotel bez problémů pokryje i potřebu tepla na přípravu teplé vody, což v případě tepelného čerpadla při nízkých venkovních teplotách vzduchu nemusí platit a do celkové bilance pak vstupuje ještě podíl dodané energie ze záložního zdroje (v tomto případě elektrické topné patrony). Investice do kondenzačního kotle, zásobníku teplé vody, odkouření a plynovodní přípojku byla uvažována cca 60 000,– Kč. Pro variantu s plynovým kondenzačním kotlem a stejně tak i pro variantu s CZT je uvažováno pro výpočet nákladů na spotřebu elektřiny v domácnosti se sazbou D 02d a průměrnou cenou 4,80 Kč·kWh^–1 (k 1. 1. 2021) [8].

3) Centrální zásobování teplem

Centrální zásobování teplem (CZT) je systém, který zahrnuje výrobu, rozvod a dodávku tepla tepelnými sítěmi do odběrných míst. Z tohoto důvodu je použitelnost lokálně omezena stran možnosti připojení ze stávajícího systému nebo případně vybudování centrální kotelny v daném místě pro větší počet realizací. V takovém případě je pak cena tepla ovlivněna použitým zdrojem paliva. Pro potřeby tohoto článku je dále uvažována průměrná cena tepla ze systémů CZT na základě výročních zpráv Energetického regulačního úřadu pro konečného uživatele [8].

 

V grafu na obr. 9 je vidět vývoj průměrné ceny za 1 kWh tepelné energie v centrálním zásobování tepla od roku 2009 do roku 2019 (rok 2020 v době vzniku tohoto článku ještě nebyl uzavřen) pro konečného odběratele. Počáteční investice do CZT (výměníková stanice a vybudování teplovodní přípojky) je uvažována ve výši cca 70 000,– Kč. Průměrná cena tepla systému CZT je pro další výpočty 2,12 Kč·kWh^–1.

Grafy na obr. 10 a 11 zohledňují vždy nejen náklady na potřebu energií (VYT, TV, ELE), ale i náklady na zřízení přípojky (ať již plynu, nebo pro CZT) a také náklady jednotlivých energií spojené s platbou za distribuci. Z grafického průběhu doby návratnosti pro rodinný dům č. 1 (obr. 10) je patrné, že nejnižší počáteční investice pro dům v nízkoenergetickém standardu s rekuperační jednotkou (tj. varianta 1c) jsou u plynového kondenzačního kotle, poté do CZT a nakonec u tepelného čerpadla vzduch-voda. Investice do tepelného čerpadla vzduch-voda se oproti CZT vrátí po 5 letech a po 20 letech provozu (což je uvažovaná životnost TČ) je rozdíl mezi pořizovacími a provozními náklady cca 420 000,– Kč. U varianty s plynovým kondenzačním kotlem je doba návratnosti cca 7 let a rozdíl v provozních a pořizovacích nákladech po 20 letech provozu je cca 300 000,– Kč. Počáteční investice do CZT a plynového kondenzačního kotle jsou takřka stejné, nicméně i tak po 20 letech provozu je rozdíl v provozních a pořizovacích nákladech cca 120 000,– Kč ve prospěch plynového kondenzačního kotle.

Pro variantu rodinného domu č. 1 ve variantě 2a vychází výsledky podobně. Investice do tepelného čerpadla vzduch-voda místo do CZT se vrátí za cca 7 let a provozní a ­investiční náklady jsou po 20 letech u tepelného čerpadla o cca 260 000,– Kč nižší. U plynového kondenzačního kotle je návratnost investice cca po 8,5 letech a rozdíl provozních a investičních nákladů po 20 letech je cca 200 000,– Kč ve prospěch tepelného čerpadla. Při porovnání varianty s CZT a plynovým kondenzačním kotlem jsou rozdíly v investičních a provozních nákladech po 20 letech provozu cca 60 000,– ve prospěch plynového kondenzačního kotle. Podobné závěry lze učinit i pro zbylé dva posuzované rodinné domy. Navíc s grafu na obr. 12 je vidět, že např. investice do tepelného čerpadla a domu s lepšími tepelně-technickými parametry (červená čárkovaná křivka) se oproti investici do tepelně-technicky horší stavby s plynovým kondenzačním kotlem (zelená plná čára) vrátí po cca 10 letech provozu, což z pohledu životnosti domu je sice krátká doba, ale z ekonomického hlediska a doby životnosti navržených zdrojů tepla je to již na zvážení. Neboť rozumnou hranicí z pohledu NPV (čisté současné hodnoty) a míry rizika růstu cen a inflace je u těchto úvah většinou lépe pracovat s dobou návratnosti různých variant okolo 7, maximálně 8 let.

Závěr

Článek měl čtenáři poskytnout přehled o energetických bilancích staveb v závislosti na provedení konstrukcí a navrženého zdroje tepla. Je nutné si uvědomit, že pokud provedeme základní ekonomickou analýzu možných variant provedení tepelně-technických vlastností stavebních konstrukcí, velmi často zjistíme, že varianta s nejnižší celkovou tepelnou ztrátou je díky vyšším investicím právě do vlastností konstrukcí výrazně dražší, než varianta, která splňuje například požadavky platné normy ČSN 73 0540-2. Pokud u takovýchto variant porovnáme roční potřebu tepla na vytápění, zjistíme, že se často jedná o rozdíl, který přináší roční úsporu v řádech tisíců korun, ale rozdíl v investičních nákladech byl i několik stovek tisíců korun. Ukazuje se tak, že v případě návrhu stavby není vždy nejdůležitější dosáhnout na nejnižší hodnoty součinitelů prostupu tepla, ale je lépe se zaměřit na největší míru úspory energie ve vztahu k nákladům na takové opatření a uvažovaný zdroj tepla. Opomenuty nesmí být ani závazné požadavky s ohledem na energetickou náročnost budov.

Závěrem je důležité také zdůraznit, že cílem článku nebylo preferovat konkrétní variantu, ale ukázat jednotlivé provázanosti energeticky efektivního rozboru volby vhodného způsobu provedení stavby a volby zdroje tepla. Je také třeba zdůraznit, že tyto úvahy zcela zásadně ovlivní i potenciální dotační programy, na které lze v různých va­riantách dosáhnout a v neposlední řadě i správnost dílčích projektů vytápění, větrání a zdravotně technických instalací, tak aby systém byl schopen pracovat energeticky efektivně ve vzájemném souladu.

Literatura

[1] VAVŘIČKA, R.: Otopné soustavy nízkoenergetických a pasivních domů. In: II. Sympozium integrovaného navrhování a hodnocení budov 2011, s. 112–117. Praha 2011. ISBN 978-80-02-02345-6.
[2] ZYCH, L.: Náklady na vytápění u rodinných domů. Praha, 2018. Bakalářská práce. ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí.
[3] ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky. 2. vyd. Praha: ÚNMZ, 2011.
[4] ČSN EN ISO 52016-1. Energetická náročnost budov – Potřeba energie na vytápění a chlazení, vnitřní teploty a citelné a latentní tepelné výkony – Část 1: Výpočtové postupy. 2. vyd. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.
[5] ČSN EN 12831-1. Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 1: Tepelný výkon pro vytápění, Modul M3-3. 2. vyd. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
[6] G SERVIS CZ, s.r.o. [online]. G SERVIS CZ ©2021 [cit. 1. 1. 2021]. Dostupné z: https://www.gservis.cz/.
[7] ČSN EN 12831-3. Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
[8] Energetický regulační úřad [online]. ERÚ ©2021 [cit. 1. 1. 2021]. Dostupné z: https://www.eru.cz/.

---

Energy Needs Balance of a Family House

The article deals with calculations associated with solution variants of the building structure and energy system of three different family houses.

Various solutions of the building structure are evaluated in relation to the energy intensity with the expression of the return on investment.

Furthermore, a comparison of chosen heat sources is performed for a selected variant of the construction solution.

When economically evaluating variants, it is always important to take into account local conditions and all costs associated with the building and energy sources.

Comfort is also an important article. The profitability of the investment can also be significantly affected by subsidy titles.

Keywords: energy needs, energy consumption, energy sources, family house heating, building structure, return on investment