Prehľad vlastností budov s takmer nulovou potrebou energie
Časopis Správa budov Za ostatné obdobie sa stala potreba znižovať tepelné straty budov cez obvodovú konštrukciu prioritnou. Jedným z hlavných benefitov tohto opatrenia je zníženie potreby tepla na vykurovanie, resp. potreby tepla na chladenie.
Vlastnosti nZEB predurčujú na iné energetické správanie budovy v porovnaní s budovami postavenými v minulosti. Zvyšovanie tepelnoizolačnej úrovne u nás prebieha postupne od začiatku prvej energetickej krízy v polovici 70. rokov minulého storočia.
Na Slovensku zaviedla STN 73 0540-2: 2012, ktorá platí v súčasnosti v znení Z1 + Z2: 2019 [1], stupňovité zvyšovanie úrovne tepelnoizolačných vlastností a ďalších požiadaviek tak, aby na konci tohto snaženia bola budova s takmer nulovou potrebou energie (nearly zero energy building nZEB).
Požiadavky na nZEB majú však širší charakter (nielen tepelnoizolačný) a vyjadrujú sa potrebou energie na vykurovanie, prípravu teplej vody, vetranie a klimatizáciu a osvetlenie. Globálnym ukazovateľom pre jednotlivé kategórie budov je primárna energia, ktorá sa požaduje právnym predpisom [2] na úrovni energetickej triedy A0 po roku 2020.
Na rozdiel od predchádzajúceho obdobia sa stalo prioritným dôvodom zlepšovania budov zmenšovanie tepelnej straty cez obvodové konštrukcie, znižovanie potreby energie na vykurovanie (chladenie) budov a využívanie obnoviteľných zdrojov energie. Dnes má tento trend navrhovania budov so zníženou potrebou energie cielené technické riešenie v „budove s takmer nulovou potrebou energie“ (nZEB).
Táto je definovaná v prepracovanom znení smernice o energetickej hospodárnosti EPBD recast [3] a v zákone [4] a znamená budovu s veľmi vysokou energetickou hospodárnosťou. Požadované takmer nulové alebo veľmi malé množstvo energie by sa malo vo významnej miere pokryť energiou z obnoviteľných zdrojov vrátane energie z obnoviteľných zdrojov vyrobenej priamo na mieste alebo v blízkosti budovy.
Teda: nZEB = vysoká energetická hospodárnosť + obnoviteľné zdroje energie (OZE).
Definícia, ale predovšetkým kvantifikácia vlastností budovy s vysokou energetickou hospodárnosťou a určenie významného podielu obnoviteľných zdrojov je na členských štátoch EÚ. Zároveň to znamená, že sa budeme stretávať s budovami, ktoré:
- energiu vyrábajú na mieste a túto aj spotrebujú (napríklad solárne kolektory na ohrev vody);
- energiu vyrábajú na mieste, časť z nej spotrebujú a časť odvedú cez systémovú hranicu budovy do siete (napríklad fotovoltické panely).
Zvyšovanie tepelnoizolačných vlastností stien, striech, podláh a okien má pozitívny vplyv na znižovanie tepelnej straty budov a potreby tepla na vykurovanie. Pri bilancovaní ročnej potreby tepla na vykurovanie a chladenie pri budovách s celoročne upravovaným vnútorným prostredím však môže táto tendencia zvyšovania tepelnoizolačnej schopnosti pri nZEB viesť k zvyšovaniu potreby energie na chladenie, ak sa citlivo neuplatnia opatrenia na zníženie tepelných ziskov transparentnými konštrukciami.
Vlastnosti nZEB predurčujú iné energetické správanie budovy v porovnaní s budovami postavenými v minulosti. Zároveň však okrem tepelnoizolačných vlastností stavebných konštrukcií vyžadujú splnenie ďalších predpokladov.
Parametrická štúdia vplyvu tepelnoizolačných vlastností
Zvyšovanie tepelnej ochrany stavebných konštrukcií je celosvetový trend. V STN 73 0540-2: 2012 + Z 1 + Z 2: 2019 sa táto tendencia premietla na tieto definované úrovne (tab. 1):
- max – maximálna prípustná hodnota;
- N – normalizovaná (požadovaná) hodnota;
- r1 – odporúčaná hodnota, ktorá je normalizovanou po roku 2015;
- r2 – odporúčaná hodnota, ktorá je normalizovanou po roku 2020;
- r3 – cieľová odporúčaná hodnota, ktorá môže byť normalizovanou niekedy v budúcnosti.
Vplyv tepelnoizolačných vlastností na administratívnej budove
Na administratívnej budove podľa obr. 1 budeme postupne aplikovať zlepšujúce sa tepelnoizolačné vlastnosti stavebných konštrukcií podľa tab., teda od maximálnych hodnôt až po hodnoty cieľové odporúčané. Výpočet je podľa STN EN ISO 52 016 mesačnou metódou pri normalizovaných podmienkach hodnotenia.
Výsledky výpočtov tepelnej bilancie podľa jednotlivých parametrov sú na obr. 2 až 4.
Potreba tepla na vykurovanie výrazne klesá so zlepšujúcimi sa tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií. To platí od úrovne maximálnych povolených hodnôt súčiniteľov prechodu tepla až po úroveň súčiniteľov prechodu tepla budovy s takmer nulovou potrebou energie.
Pokles potreby tepla na vykurovanie z ultranízkoenergetickej úrovne (r1) na úroveň budov s takmer nulovou potrebou (r2) je však už menej výrazný. Potreba tepla na chladenie sa so zlepšujúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií mierne zvyšuje (obr. 2), čo je tepelnoizolačný paradox.
Predpoklad účinného tienenia v letnom období pri nZEB
Účinné tienenie však výrazne znižuje potrebu tepla na chladenie, ale najmä zabraňuje prehrievaniu v letnom období. V budovách s celoročne upravovaným vnútorným prostredím sa tepelná bilancia budovy určí súčtom potreby tepla na vykurovanie a chladenie.
Tienenie sa počítalo s hodnotou FC = 1 v zimnom období, teda bez účinku trvalého zariadenia slnečnej ochrany a s hodnotou FC = 0,35, ktorá zodpovedá svetlým žalúziám zvonka. Vplyv účinného tienenia na zníženie tepelnej bilancie administratívnej budovy je na obr. 3.
Predpoklad vetrania s rekuperáciou pri nZEB
Na dosiahnutie úrovne výstavby budovy s takmer nulovou potrebou energie treba dosiahnuť potrebu tepla na vykurovanie QN,nd,r2 = 25 až 50 kWh/(m2 . a) v závislosti od faktora tvaru budovy podľa požiadaviek [1].
Pri projektovom hodnotení sa použijú normalizované vstupné dáta o klimatických údajoch, o vnútornom prostredí budovy a o spôsobe využívania budovy [1]. Základná bilančná rovnica sa uvažuje v tvare:
QH,nd = QT + QV – h . (Qi + Qs) (1)
Potreba tepla na krytie tepelnej straty vetraním QV v kWh/m3 sa určí pri uvažovaní priemernej intenzity výmeny vzduchu n = 0,5 1/h zo vzťahu:
QV ≈ 0,264 . 0,5 . 1 . 3 422 . 24/100 =
10,83 kWh/m3 (2)
Pri prepočte na 1 m2 podlahovej plochy budovy s danou konštrukčnou výškou máme:
QV ≈ 30,32 kWh/(m2 . rok) pri konštrukčnej výške 2,8 m, ale pri 3,4 m je to:
QV ≈ 36,82 kWh/(m2 . rok)
Potreba tepla na krytie tepelnej straty prechodom tepla QT sa znižuje uplatnením výrazne nižších U-hodnôt stavebných konštrukcií stien, striech podláh a okien. V našich klimatických podmienkach Qs < Qi je dominantnou bilančnou položkou v rovnici (1) pri nZEB hodnota Qv.
Jej minimalizácia je možná iba uplatnením vetrania s rekuperáciou tepla (obr. 4). Budova s vetraním s rekuperáciou však musí byť tesná a vylučovať nadmernú infiltráciu, čo sa kontroluje blower-door testom, pri ktorom hodnota n50 ≤ 0,6 1/h.
Predpoklad uplatnenia obnoviteľných zdrojov energie pri nZEB
Využívanie obnoviteľných zdrojov energie prináša okrem výhod aj určité riziká. Najvýznamnejšie riziko vyplýva z povahy týchto energetických zdrojov. Výroba elektriny zo slnečnej a z veternej energie sa vyznačuje fluktuáciou výroby, ktorá negatívne ovplyvňuje bezpečnosť a spoľahlivosť prevádzkovania elektrizačnej sústavy.
Výrobcovia elektriny z OZE vytvárajú odchýlky od plánovanej výroby, za ktoré nenesú zodpovednosť. Vykrývanie odchýlok, ako aj riziko ich vplyvu na bezpečnosť elektrizačnej sústavy sa prenáša na prevádzkovateľov sústav. Ďalším rizikom je zdraženie elektriny. Podpora výroby elektriny z OZE v Slovenskej republike je založená na výkupnej cene elektriny, ktorú výrobcovia dostávajú za vyrobenú elektrinu.
Výkupná cena sa stanovuje s ohľadom na primeranú návratnosť investície. Vplyvom dynamického zníženia ceny fotovoltických (PV) modulov sa v mnohých krajinách, ktoré majú systém výkupných cien, pozornosť investorov sústredila na využívanie slnečnej energie.
Výrazné zníženie cien PV modulov tak vytvorilo podmienky na vysoké zisky investorov. Výkupná cena elektriny zo slnečnej energie je vyššia ako trhová cena elektriny, čo sa potom viac alebo menej významne premieta do ceny elektriny. Určitým riešením uplatňovaným v niektorých krajinách (napr. v Dánsku) je tzv. metóda net metering, kde sa používa iba jedna cena elektriny bez ohľadu na to, či pochádza z fosílnych palív, alebo z OZE.
Problémom môže byť aj fakt, že nie všetky aplikácie systémov obnoviteľných energií v budovách sú alebo budú nákladovo optimálne, čo si vyžaduje finančné nástroje na účely stimulácie opatrení súvisiacich s energetickou hospodárnosťou budov a stimulácie energeticky úsporných opatrení v sektore budov.
Záver
Definícia a chápanie podstaty budov s takmer nulovou potrebou energie bude vyžadovať nemálo úsilia národných inštitúcií, investorov, vlastníkov budov, architektov a projektantov. Je celkom možné, že sa táto snaha občas stretne aj s nepochopením či odmietaním. Niektorí odborníci vnímajú nZEB ako šancu na zlepšovanie fondu budov, iní môžu pochybovať.
Pritom sa akosi málo zdôrazňuje fakt, že v európskych krajinách sa dnes už navrhujú, prevádzkujú a aj užívajú budovy pasívne, budovy s vysokou energetickou hospodárnosťou, ktoré však nemajú označenie budova s takmer nulovou potrebou energie. Jednoducho nepoužívajú toto označenie a je to len jeden z možných spôsobov výstavby, nie však jediný.
Poďakovanie
Túto prácu finančne podporilo MŠ SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0229/21
Literatúra:
- STN 73 0540-2 + Z1 + Z2: 2019 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky, SUTN, Bratislava.
- Vyhláška MDV SR č. 35/2020 Z. z., ktorou sa mení a dopĺňa vyhláška MDVRR SR č. 364/2012 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov v znení vyhlášky č. 324/2016 Z. z.
- Smernica Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) 2018/844 z 30. 5. 2018, ktorou sa mení smernica 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov a Smernica 2012/27/EÚ o energetickej efektívnosti.
- Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zíkonov.
TEXT + OBRÁZKY | prof. Ing. Ivan Chmúrny, PhD., doc. Ing. Rastislav Ingeli, PhD., Katedra konštrukcií pozemných stavieb, Stavebná fakulta STU v Bratislave
