Význam primární energie při volbě zdroje tepla v obytných budovách

Autoři se ve svém příspěvku zabývají variantami zdrojů tepla pro konkrétní rodinný dům s ohledem na primární energii z neobnovitelných zdrojů energie. Porovnáno je hodnocení podle normy ČSN 730540-2:2011 a podle závazné vyhlášky č. 78/20013 Sb. Důležité je upozornit, že rodinný dům je koncipován jako objekt s téměř nulovou spotřebou energie. Jak je ukázáno, objekt minimální požadavky na primární energii podle vyhlášky splňuje pro všechny druhy vybraných zdrojů energie. Vyhláška, na rozdíl od normy, umožňuje budovy podle celkové dodané energie a neobnovitelné primární energie zatřiďovat do jednotlivých kategorií.

Recenzent: Michal Kabrhel

Změna evropské, potažmo české legislativy v oboru energetiky a vytápění, přinesla nový pohled na návrh zdroje tepla. Evropská směrnice 31/2010/EU o energetické náročnosti budov zavedla mnoho změn. Jednou z nich je zohlednění primární energie při návrhu zdroje tepla a při návrhu celkové energetické koncepce budov. V české legislativě definuje primární energie norma ČSN 73 0540-2 a vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov. Tyto dva dokumenty definují požadavky na primární energie odlišně. Zatímco norma definuje závaznou hranici primární energie, vyhláška vychází z porovnání sledované budovy s tzv. referenční budovou, pro každou budovu je tedy jiná hraniční hodnota. Tento článek se zabývá vyhodnocením primární energie při volbě zdroje tepla jak dle normy ČSN 73 0540-2, tak i dle vyhlášky č. 78/2013 Sb. Porovnání požadavků obou dokumentů je prostřednictvím vyhodnocení reálného objektu „s téměř nulovou spotřebou energie“. V zahraniční literatuře se problematikou primární energie v obytných budovách zabývá například Gustavsson [1], v tuzemsku Hlavín [2].

Faktor energetické přeměny pro přepočet na hodnoty primární energie, dle normy ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky a dle vyhlášky č. 78/2013 Sb., je znázorněn v tabulce 1.

Za pozornost stojí vysoká hodnota faktoru přeměny u elektřiny, který souvisí s relativně nízkou účinností výroby elektřiny. Definice zdrojů je nejednotná, liší se podle legislativy (norma, vyhláška).

Stanovení primární energie objektu s téměř nulovou spotřebou energie

Popis stavební části posuzovaného objektu

Pro demonstraci vlivu primárních energií při volbě zdroje tepla byla zvolena stavba, která je postavena ve standardu domu „s téměř nulovou spotřebou energie“. Jedná se o dvoupodlažní nepodsklepený rodinný dům postavený ze sendvičového zdiva ze slaměných balíků a nachází se v lokalitě Brno. Půdorysná plocha domu je 67,5 m² a výška 6,5 m. Zajímavostí je, že dům není umístěn přímo na zemině, ale podlaha je na betonových sloupcích, neboť objekt se nachází v záplavové zóně. Dům má plochou střechu, jejíž přesahy pomáhají omezovat sluneční zisky v letním období. Na obrázku 1 jsou pohledy na posuzovaný objekt, na obrázku 2 je fotografie JV pohledu a termogram JV strany budovy.

Obvodové stěny budovy tvoří dřevěné sloupky s foukanou tepelnou izolací a vnitřním záklopem z OSB desek, jako vnější tepelná izolace byly použity balíky slámy v tloušťce 350 mm s částečně vtláčenou vápenocementovou omítkou. Plocha této konstrukce je 215,8 m². Výplně otvorů v exteriérových stěnách jsou zastoupeny dřevěnými vchodovými dveřmi a dřevěnými okny s izolačním trojsklem. Celková plocha výplní otvorů je 30,6 m². Podlahová a střešní konstrukce je tvořena dřevěnými nosníky s foukanou tepelnou izolací a 400 mm slámy v podlahové konstrukci (plocha 67,5 m²). Střecha je plochá s vegetačním souvrstvím. Součinitel prostupu tepla všech konstrukcí, sousedících s exteriérem, je uveden v tabulce 2. Průměrný součinitel tepla obálky budovy je 0,19 W·m^–2·K^–1.

Popis TZB posuzovaného objektu

Vytápění – posuzované zdroje energie

Pro porovnání bylo posuzováno osm různých zdrojů tepla. Plynový kotel s účinností 90 %, kotel na dřevo s účinností 81 %, kotel na peletky s účinností 81 %, elektrokotel, přímotopy a ve třech variantách tepelné čerpadlo (TČ) země-voda (topný faktor COP = 3,8).

U0TČ šlo o varianty:

1. TČ pokrývající částečně potřebu tepla pouze na vytápění,
2. TČ částečně pokrývající potřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody,
3. TČ částečně pokrývající potřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody plus 6 m² plochy fotovoltaického panelu (PVT) s účinností 10 %.

Vzduchotechnika

V objektu je uvažováno v každé variantě s rovnotlakou větrací jednotkou s rekuperací (účinnost zpětného získávání tepla 75 ). Objemový tok přiváděného vzduchu je 166 m³·h^–1, procento časového úseku s nuceným větráním je 25 %, 2 ventilátory s příkonem 52 W každý.

Teplá voda

Průměrná roční potřeba teplé vody v objektu pro čtyřčlennou rodinu je 60 m³·a^–1. Potřebu tepla k přípravě teplé vody částečně pokrývají dva solární kolektory, každý o ploše 2,4 m², umístěné na střeše.

Umělé osvětlení

Doporučená hodnota měrné roční spotřeby elektřiny na osvětlení pro obytné prostory rodinných a bytových domů – úsporné osvětlení – je 4,46 kWh·m^–2·a–1, průměrná účinnost osvětlení použitých zářivek kompaktních je 20 %. Ostatní hodnoty zadání byly zvoleny jako běžné pro tento typ domu.

Vyhodnocení množství primární energie dle ČSN 73 0540-2

Pomocí nástroje Energie byla vypočtena měrná spotřeba energie dodané do budovy.

Tabulka 3 znázorňuje přehled energetických potřeb, které lze do hodnocení zahrnout dle typu budovy. V tomto případě se jedná o „Obytné budovy“, „úroveň A“ – včetně elektrických spotřebičů. Spotřeba energie pro tabulku 3 se počítá pro vytápění a chlazení dle ČSN EN 13790, pro přípravu TV a ostatní energie dle TNI 730329 a TNI 730330.

Tabulka 4 určuje požadovanou hodnotu měrné roční bilance potřeby a produkce energie vyjádřené v hodnotách primární energie z neobnovitelných zdrojů v úrovni maximálně 80 kWh·m^–2·a–1. Posuzovaný objekt splňuje požadavky na vyhodnocení, neboť jeho průměrný součinitel prostupu tepla U_em = 0,19 kWh·m^–2·K^–1, požadovaná hod­nota je £ 0,25 kWh·m^–2·K^–1, a měrná ­potřeba tepla na vytápění E_A = 18 kWh·m^–2·a^–1, doporučená hodnota je £ 20 kWh·m^–2·a^–1.

Tabulka 5 znázorňuje výsledné hodnoty měrné spotřeby energie dodané do budovy dle ČSN u všech 8 vybraných zdrojů tepla i hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů. Je zde zahrnuta roční energetická náročnost vytápění, přípravy teplé vody a osvětlení a elektrických spotřebičů dle tabulky 3, navíc je zde ještě vložena energetická náročnost mechanického větrání, kterého je v objektu využito.

Celková hodnota primární energie z neobnovitelných zdrojů je zobrazena i v grafu na obrázku 3, kde je pro názornost vynesena i limitní hodnota 80 kWh·m^–2·a^–1. Je patrné, že přímotopy a elektrokotel nesplňují požadavek. TČ v kombinaci s elektrickým ohřevem TV je na hranici požadavku.

Vyhodnocení množství primární energie dle vyhlášky č. 78/2013 Sb.

Vyhodnocení spotřeby energie dle vyhlášky č. 78/2013 Sb. bylo provedeno v programu Energetika (Atelier DEK). Budova byla v souladu s vyhláškou hodnocena jako budova „s téměř nulovou spotřebou energie“, což znamená přísnější podmínky na referenční objekt oproti běžnému objektu. Protože program zatím neumí simulovat fotovoltaické systémy, byla z hodnocení vyloučena varianta TČ + fotovoltaika. Přehled výsledků je uveden v tabulce 6 a v grafu na obrázku 4. Referenční hodnoty energií jsou pro všechny varianty stejné až na variantu „přímotopy“, kde je hodnota nevýrazně jiná z důvodu absence oběhových čerpadel na straně vytápění.

Výsledky vyhodnocení dle vyhlášky jsou naprosto rozdílné oproti metodice ČSN. Zatímco spotřeba energie je u obou výpočtů podobná pro všechny varianty zdroje, zásadní rozdíl je v hranici povolené spotřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů. Dle vyhlášky je povolená hranice primární energie velmi vysoká, takže vyhovují všechny varianty zdroje tepla, což u hodnocení dle ČSN nelze říci.

Závěr

Výsledky článku ukazují výraznou rozdílnost hodnocení primární energie z neobnovitelných zdrojů dle normy ČSN 73 0540-2 a dle vyhlášky č. 78/2013 Sb. ČSN vykazuje přísnější parametry, které jsou nejvíce patrné při užití elektřiny pro vytápění. Dokonce i TČ se pohybuje na hraně v případě přípravy TV elektrickým ohřevem. V použitém příkladu dle metodiky ČSN nevyhovělo vytápění s elektrokotlem a přímotopy. Nicméně klíčové jsou hodnoty spotřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů dle metodiky vyhlášky, kde je nutné splnit požadavky energetického zákona č. 406/2000 Sb. v pozdějších zněních. V praxi se objevují obavy, že objekty „s téměř nulovou spotřebou energie“ nesplní požadavky na spotřebu primární energie v průkazu energetické náročnosti budov. Výpočty uvedené v článku však dokazují, že tyto obavy jsou víceméně zbytečné, protože povolená hodnota primární energie je velmi vysoká a u uvedeného příkladu je vypočtená spotřeba primární energie hluboko pod maximální povolenou hodnotou. Samozřejmě, že u různých objektů budou různé výsledky, přesto se domníváme, že splnění požadavků na primární energie by nemělo být obtížné, či dokonce nemožné splnit.

Poděkování

Článek byl zpracován s přispěním projektu Specifického výzkumu FAST-J-13-2118 – Vývoj výpočtového nástroje pro modelování energetické bilance budov, Vysokého učení technického v Brně, Fakulty stavební.

Literatura

1. GUSTAVSSON L., JOELSSON A. Life cycle primary energy analysy of residental building, Energy and Buildings, Volume 42, ­Issue 2, February 2010, Pages 210–220.
2. Primární energie. In: TH inženýring [online]. 2008 [cit. 2012-12-20]. Dostupné z: http://hlavin-inzenyring.webnode.cz/
   odborny-blok/energeticky-usporne-domy/primarni-energie-/
3. ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
4. Vyhláška č. 78/2013 Sb. O energetické náročnosti budov. Praha, 2013.
5. HORÁK P. Využití termovize pro stanovení součinitele prostupu tepla a diagnostikování obvodového pláště. Střechy, fasády, izolace, 2012, roč. 19, č. 6, s. 22–23. ISSN 1212–0111.

---

The importance of primary energy in choosing heat source in residential buildings

The authors in their paper dealing with the calculation of primary energy for different variants of heat sources. Heat sources are designed for specific passive house. The calculation is compared according to a national standard and by decree. Requirements under decree fulfil all variants of heat sources.

Keywords: heating, primary energy, passive house