Obnovitelné zdroje a budovy s téměř nulovou spotřebou energie

Příspěvek se zabývá požadavky na budovy s téměř nulovou spotřebou energie (NZEB). Popisován je stav v České republice a vybrané ukazatele jsou porovnány s dalšími evropskými zeměmi. Dále je věnována pozornost obnovitelným zdrojům, které umožní snížit spotřebu primární energie.

Recenzent: Michal Kabrhel

1. Budovy s téměř nulovou spotřebou energie

Přesná definice pojmu „budova s téměř nulovou spotřebou energie“ (anglicky Nearly Zero Energy Building, dále NZEB) je v evropské směrnici 2010/31/EU o energetické náročnosti budov uvedena takto: „NZEB je budova, jejíž energetická náročnost určená podle přílohy I je velmi nízká. Téměř nulová či nízká spotřeba požadované energie by měla být ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů, včetně energie z obnovitelných zdrojů vyráběné v místě či v jeho okolí;“[1]. Bližší specifikaci jednotlivých částí nechává Unie na členských státech, které je mají specifikovat podle svých možností a klimatických podmínek. Z popisu je patrné, že hlavním cílem není stavět domy s nulovými ztrátami, ale pokrýt převážnou ztrátu objektu energií z obnovitelných zdrojů.

1.1 NZEB v jednotlivých členských zemích

Definice NZEB dává velký prostor členským státům konkretizovat jednotlivé hodnoty. V tab. 1 jsou uvedeny příklady z členských zemí, které danou evropskou směrnici již implementovaly do své legislativy. Jednotlivé definice NZEB se liší jak hodnotami, tak tím, které systémy budovy do výpočtu zahrnují.

Důležitým prvkem posuzování budov je tzv. konverzní faktor jednotlivých druhů energií. Konverzní faktor neobnovitelné primární energie (dále NPE) se v každém státě liší. Je sice z části výsledkem technického měření, ale protože směšuje hned několik vlivů, je velkou měrou také politickým hodnocením.

Například u elektřiny kolísá faktor NPE mezi 2,0 a 3,0, přičemž nezávisí přímo na tom, jaký podíl na výrobě obnovitelné zdroje představují. Zatímco v Nizozemí, které má produkci elektrické energie pouze ze 4 % pokrytou z obnovitelných zdrojů, má faktor pro elektrickou energii hodnotu 2,58, ve Španělsku, které pokrývá produkci elektřiny z 20 % z obnovitelných zdrojů je faktor 2,6 – tedy horší. ČR má hodnotu koeficientu 3,0, což je v Evropě jedna z nejvyšších hodnot.

1.2 Požadavky na NZEB

Budovy kategorie NZEB jsou v legislativě ČR definovány několika ukazateli energetické náročnosti. Ty se liší podle toho, jestli jde o novostavbu, nebo rekonstrukci.

Nové budovy (a přístavby nebo nástavby, které zvětšují energeticky vztažnou plochu o více než 25 %) musí splňovat současně tři ukazatele; jedná se o ukazatele celkové dodané energie za rok, neobnovitelné primární energie za rok a průměrného součinitele prostupu tepla obálkou budovy. U každého ukazatele se stanovuje hodnocení A až G (A – mimořádně úsporná, G – mimořádně neúsporná), přičemž pro splnění musí být budova hodnocena nejhůře za C.

K výpočtu prvních dvou ukazatelů se používá metoda srovnání s „referenční budovou“, která je ve vyhlášce č. 78/2013 Sb. definována jako: „výpočtově vytvořená budova téhož druhu, stejného tvaru, velikosti a vnitřního uspořádání, se stejným typem standardizovaného provozu a užívání jako hodnocená budova, a technickými normami předepsanou kvalitou obálky budovy a jejich technických systémů“ [4]. Jedná se tedy o stejnou budovu, jako je hodnocená, ale která předpokládá po­užití standardních systémů, a je tedy počítána bez obnovitelných zdrojů energie.

Budovy, které procházejí rekonstrukcí, mají několik možností, jak podmínky splnit. Konkrétně to jsou čtyři varianty kombinací ukazatelů (viz tab. 3), z nichž alespoň jednou variantou musí budova projít.

1.3 Definice a cíle – aplikace směrnice

Evropská směrnice počítá s tím, že po roce 2020 budou všechny stavěné budovy v kategorii NZEB. Aby nedošlo k prudkému skoku požadavků, byly vytyčeny tři stupně pro zpřísnění požadavků na výstavbu, V případě budov, jejichž vlastníkem a uživatelem bude orgán veřejné moci, nebo subjekt zřízený orgánem veřejné moci, jsou termíny přísnější, uvedené v závorkách.

• I. budovy s energeticky vztažnou plochou větší než 1 500 m² – 2018 (2016)
• II. budovy s energeticky vztažnou plochou větší než 350 m² – 2019 (2017)
• III. budovy s energeticky vztažnou plochou větší než 50 m² – 2020 (2018)

Budovy pod 50 m² jsou výjimkou a podmínky splňovat nemusí, dalšími výjimkami jsou budovy chráněné jako součást vymezeného prostředí, budovy užívané jako místa bohoslužeb a pro náboženské účely, dočasné budovy (do 2 let), budovy pro průmysl a zemědělství a obytné budovy užívané méně než 4 měsíce během roku.

K postupnému dosažení výsledku má přispět i zpřísnění požadavků pro budovy mimo kategorii NZEB od počátku roku 2015.

2. Aplikace obnovitelných zdrojů

2.1 Srovnání zdrojů z hlediska primární obnovitelné energie

Pro NZEB je důležité bilancování primární energie a snižování energie z neobnovitelných zdrojů. Požadavky NZEB předpokládají snížení primární neobnovitelné energie o 10 až 25 % (podle typu budovy) oproti referenční budově. Toho můžeme dosáhnout jak využitím OZE, tak snížením celkové potřeby energie objektu (např. zlepšení obálky budovy, zlepšení účinnosti systémů). Otázkou tedy zůstává, které systémy obnovitelných zdrojů se do budovy vyplatí navrhovat, a které nám naopak v rámci NZEB nepomohou.

Faktory primární energie a neobnovitelné primární energie (dále NPE) pro obnovitelné i neobnovitelné zdroje můžeme porovnat v tab. 4.

2.2 Systémy vytápění

2.2.1 Pasivní solární zisky

První a obvykle technologicky nejméně náročnou variantou, jak využívat obnovitelné zdroje energie, jsou pasivní solární zisky. Referenční budova má stejné prosklené plochy, jako budova hodnocená, proto pro zlepšení hodnoceného faktoru je potřeba zvýšit efektivitu pasivního získávání solární energie. To je možné využitím složitějších technologických systémů, jako například Trombeho stěny, vzduchových solárních kolektorů aj. Je však třeba hledět na eko­nomickou návratnost takových opatření v našich klimatických podmínkách.

Při návrhu si je potřeba uvědomit, že solární zisky jsou poměrně nestabilní zdroj a mohou v energetické bilanci i více uškodit, než pomoci. Pokud dojde v letních měsících k přehřívání interiéru, významně se zvýší potřeba energie pro chlazení – tedy obvykle spotřeba elektrické energie, která má velmi vysoký faktor NPE = 3,0.

Pouze pasivními solárními zisky lze jen velmi obtížně (a velmi draze) dosáhnout dostatečných úspor neobnovitelné energie, ale lze je použít doplňkově.

2.2.2 Tepelná čerpadla

Při navrhování TČ do NZEB je potřeba si uvědomit, že využívají jak energii vnějšího prostředí s faktorem NPE = 0, tak elektrickou energii s faktorem NPE = 3,0. TČ s COP = 3 má (1/3 · 3 + 2/3 ·0 = 1) výsledný faktor NPE = 1,0 [6]. Od plynového kotle s faktorem NPE = 1,1 se výrazně neliší.

Na topný faktor tepelného čerpadla nemá vliv jen jeho technologie, ale také způsob zapojení a využívaní. TČ země-voda kladou nároky na pozemek a geologické podloží, TČ vzduch-voda na řešení hluku. K jejich provozu však můžeme snadno využít elektřinu vyráběnou fotovoltaicky a tento podíl elektřiny se příznivě promítne do NPE.

2.2.3 Biomasa

Kotle na spalování biomasy mají dnes velmi dobrou účinnost i možnosti regulace a mají velmi dobrý faktor NPE = 0,1 až 0,2. Nahrazením plynového kotle kotlem na biomasu lze dosáhnout požadavku NZEB na obnovitelné zdroje velice snadno. Kotle na biomasu však mají svá specifika vyplývající z dovozu paliva, jeho skladování atd., která je nutné při návrhu zohlednit. Zohlednit je třeba i fakt, že minimální výkon kotle hlavně v letním období převyšuje spotřebu tepla. V zahraničí se tento faktor liší hlavně v severských zemích, například v Dánsku je 1,0, ve Finsku 0,5 a ve Švédsku dokonce 1,2).

2.3. Příprava TV

2.3.1 Solární termické systémy

Solární termické systémy jsou výrazně kolísavý zdroj energie, což se nejčastěji kompenzuje sekundárním zdrojem a akumulačním zásobníkem. Vzhledem k tomu, že tyto systémy využívají z největší části energii okolí a jen z menší zbylé části elektřinu k provozu čerpadel, je jejich faktor NPE velmi nízký, což je pro budovy NZEB velmi výhodné. V zimních měsících je však obvykle k dohřevu používán sekundární zdroj, který faktor NPE zvyšuje. Výsledné snížení roční spotřeby NPE tak nemusí být dostatečné pro splnění kritéria NZEB.

2.3.2 Tepelná čerpadla

Využití tepelných čerpadel pro přípravu TV je dnes poměrně běžným jevem. Vzhledem k potřebě vyšších teplot pro dostatečný ohřev vody mají tepelná čerpadla horší topný faktor, a tedy ve výsledku vyšší faktor NPE, než například účinný plynový kotel.

2.4 Chlazení

2.4.1 Solární chlazení

Podstatným úskalím této technologie je poměrně vysoká vstupní investice, která předurčuje její využití hlavně pro velké projekty. Pro takto velké objekty je potřeba i velkých ploch kolektorů, které zajistí dostatek solární energie.

2.4.2 Akumulační chlazení

Chlazení pomocí akumulace tepla využívá tepelné kapacity vnitřních konstrukcí nebo akumulačních nádrží k uchování chladu, který se poté postupně uvolňuje. Využívá se i rozdílů denních a nočních teplot.

Pro akumulaci nočního chladu je potřeba velice výkonná vzduchotechnika, která vzduch ke konstrukcím přivede, což při nesprávném návrhu znamená, že elektrickou energii pouze převedeme z kompresorů chladicích zařízení do ventilace bez významných úspor. Důležité je také architektonické řešení objektu, které musí podobnou výměnu vzduchu umožňovat. Podmínkou je dostatečná ­tepelná kapacita vnitřních konstrukcí.

2.5 Fotovoltaicky vyrobená elektrická energie

Technologie fotovoltaických panelů v posledních letech zaznamenala prudký rozvoj, ale hlavně zásadní zlevnění. Fotovoltaika je komplementární s téměř každou technologií využívající OZE, ať už jde o pohon tepelných čerpadel, kapalinových čerpadel. Nulový faktor NPE jí dává možnost nahradit část potřeby elektrické energie s nepříznivým faktorem NPE, a to bez nároku na zásadní technologické úpravy.

3. Závěr

Budovy kategorie NZEB budou již brzy běžně vyžadovány, a proto je potřeba pochopit možnosti jejich návrhu. OZE nabízí pro NZEB velkou škálu možných řešení. Každé z nich s sebou nese výhody i nevýhody, které je potřeba v návrhu zohlednit.

Poděkování

Prezentované výsledky jsou vybrány z práce vzniklé za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpl č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Literatura

1. Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU ze dne 19. května 2010 o energetické náročnosti budov.
2. BUSO, T. – CORGNATI S. P. – DERJANECZ, A. – KURNITSKI, J.– LITIU, A. nZEB definitions in Europe, HVAC Journal, 2014, 02/2014, dostupné z: http://testrehva.trynisis.com/publications-and-resources/hvac-journal/ 2014/022014/nzeb-definitions-in-europe/?L=0.
3. http://askjaenergy.org/2014/03/25/iceland-and-eu-renewable-energy- targets/.
4. Vyhláška o energetické náročnosti budov č. 78/2013 Sb.
5. URBAN, M. – KABELE, K. Nové požadavky na hodnocení energetické náročnosti budov od 1. dubna 2013, 8.4.2013, www.tzb-info.cz, dostupné z: http://www.tzb-info.cz/energeticka- narocnost-budov/9745-nove-pozadavky-na-hodnoceni-energeticke-narocnosti-budov-od-1-dubna-2013.
6. OIB Richtlinie 6.

---

Application of renewable energy sources to nearly zero energy buildings

The paper deals with the requirements for buildings with almost zero energy (NZEB). Described the situation in the Czech Republic.