Energetická hospodárnosť budovy

Ako by sa mal vyjadriť vplyv obnoviteľných zdrojov energie v mieste budovy do výpočtu energetickej hospodárnosti budovy? Až donedávna sa na budovu pozeralo ako na spotrebič energie, ktorá sa v nej používa na úpravu vnútornej klímy. Zložitý vývoj navrhovania budov zaznamenal od polovice 70. rokov minulého storočia, teda od prvej ropnej krízy, mnohé etapy, v ktorých sa presadzovala snaha o šetrenie energiou v budovách. Až do polovice 70. rokov sa  problematika tepelno-technických vlastností stavebných konštrukcií zameriavala len na dimenzovanie a riešenie limitných hodnôt zabezpečujúcich hygienické požiadavky užívaných budov. Neexistovali limitné hodnoty veličín na obmedzenie špecifických tepelných strát budov alebo potreby energie na vykurovanie.

Zásadná zmena v názore na význam tepelno-technických vlastností stavebných konštrukcií nastala v celosvetovom meradle po roku 1973 (začiatok prvej energetickej krízy). Prejavila sa tak, že na rozdiel od predchádzajúceho obdobia sa stala prioritným dôvodom zlepšovania tepelno-technických vlastností potreba zmenšovať tepelné straty budov cez obvodové konštrukcie, znižovať spotrebu tepla na vykurovanie budov a vy­užívať obnoviteľné zdroje energie.

Dnes má tento trend navrhovania budov so zníženou potrebou energie víziu v „budove s takmer nulovou spotrebou energie“, ktorá je definovaná v prepracovanom znení smernice 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti (ďalej len EPBD recast) [4] a znamená budovu s veľmi vysokou energetickou hospodárnosťou. Požadované takmer nulové alebo veľmi malé množstvo potrebnej 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. Zároveň to znamená, že sa budeme stretávať s budovami ktoré:

• energiu vyrábajú na mieste a zároveň ju aj spotrebujú (napríklad solárne kolektory na prípravu teplej vody),
• energiu vyrábajú na mieste a časť z nej spotrebujú a časť odvedú cez systémovú hranicu budovy do siete (napríklad fotovoltické panely).

Na budovu sa tak už nedá pozerať len ako na spotrebič, ale zároveň sa stáva aj zdrojom odvádzanej energie (obr. 1).

Primárna energia
Primárna energia sa vypočíta z dodanej a odvádzanej energie pre každý energetický nosič:

kde    E_del,i    je    dodaná energia pre energetický nosič i,
    E_exp,i    –    odvádzaná energia pre energetický nosič i,
    f_P,del,i    –    faktor primárnej energie pre dodávaný energetický nosič i,
    f_P,exp,i    –    faktor primárnej energie pre odvádzaný energetický nosič i.

Výpočet a prezentácia údajov o energetickej hospodárnosti budovy sú založené na metodike systému európskych noriem. Výpočtový postup vychádza z potreby tepla (na vykurovanie, chladenie, prípravu teplej vody atď.), na základe ktorej sa určuje potreba energie (na vykurovanie, chladenie, prípravu teplej vody atď.) a v treťom kroku sa určuje primárna energia a emisie oxidu uhličitého. Symbolicky to znamená, že výpočet postupuje od potreby k zdroju, teda od potreby tepla až k primárnej energii. S elektrickými systémami (osvetlenie, vetranie a vlastná spotreba energie) a tepelnými systémami (vykurovanie, chladenie a príprava teplej vody) sa uvažuje oddelene vnútri systémovej hranice budovy. S energiou vyrobenou na mieste z obnoviteľných zdrojov energie sa neuvažuje ako so súčasťou dodanej energie. Dodaná energia zahŕňa elektrickú energiu od trhového dodávateľa energie zo siete, energiu z plynu od trhového dodávateľa zo siete, naftu, vykurovací olej alebo, povedzme, peletky (pri všetkých sa uvažuje primárny energetický faktor). Táto energia sa transportuje do budovy na zásobovanie systémov techniky prostredia.
–>–>
Aký je odporúčaný postup výpočtu? Postupnosť uvádza výpočet energetickej hospodárnosti budovy od potreby tepla až po primárnu energiu:

1. vypočíta sa potreba tepla (na vykurovanie, chladenie, prípravu teplej vody atď.)  – určí sa potreba tepla pre jednotlivé systémy budovy;
2. od potreby tepla sa odpočíta tepelná energia z obnoviteľných zdrojov energie vyrobená na mieste (napríklad zo solárnych kolektorov pri príprave teplej vody);
3. vypočíta sa potreba energie na každé koncové použitie (vykurovanie, chladenie, prípravu teplej vody, vetranie a osvetlenie), ktorá sa určuje zároveň pre každý energetický nosič (elektrika a iné nosiče). Do úvahy sa berú účinnosti zdroja, distribúcie, odovzdávania a regulácie;
4. od potreby elektrickej energie sa odčíta elektrická energia z obnoviteľných zdrojov energie vyrábaná na mieste (napríklad z fotovoltických panelov);
5. pre každý energetický nosič sa vypočíta dodaná energia ako súčet potrieb energie (bez obnoviteľných zdrojov). Dodaná energia tak vyjadruje súčet energie potrebnej od trhových dodávateľov energie z ich sietí;
6. vypočíta sa primárna energia odvodená od dodanej energie pri použití faktorov primárnej energie;
7. vypočíta sa primárna energia odvádzaná do siete (tzn. vyrábaná z obnoviteľných zdrojov alebo kogeneráciou na mieste);
8. vypočíta sa čistá primárna energia ako rozdiel množstiev uvedených v bodoch 6 a 7, resp. podľa vzťahu (1).

Na obr. 2 sú schematicky znázornené energetické toky v budove s uvažovaním obnoviteľných zdrojov energie. Pri výpočte sa použijú európske normy uvedené v tabuľke.

Obr. 2 Uvažované energetické toky v budove

Príklad vyjadrenia primárnej energie v budove
Príklad uvažuje administratívnu budovu s takýmito vlastnosťami:

Potreba tepla:

• na vykurovanie: 20 kWh/(m² . rok),
• na prípravu teplej vody 5 kWh/(m² . rok),
• na chladenie 35 kWh/(m² . rok).

Ročná potreba energie:

• elektrická energia na vetranie 7 kWh/(m² . rok),
• elektrická energia na osvetlenie 10 kWh/(m² . rok).

Budova má plynový kotol na vykurovanie a prípravu teplej vody. Celková sezónna účinnosť vykurovacieho systému je 80 %. V letnom období má mechanické chladiace zariadenie celkovú sezónnu účinnosť 175 %. Inštalované solárne kolektory vyrobia do systému na prípravu teplej vody 3 kWh/(m² . rok) a fotovoltický systém budovy vyrobí 15 kWh/(m² . rok). Z toho sa 6 kWh/(m² . rok) spotrebuje na mieste a 9 kWh/(m² . rok) sa odvedie do elektrickej siete. Počíta sa (ako príklad) s faktorom primárnej energie pre elektriku 2,5 (teda pomer primárnej a dodanej energie je 2,5). Pri plyne sa uvažuje faktor primárnej energie 1,1.  Na zjednodušenie výpočtu a prezentáciu jednotlivých foriem energie sa v tomto príklade zanedbala vlastná spotreba technických zariadení (čerpadlá, elektronika).

Výpočet primárnej energie na hodnotenie energetickej hospodárnosti budovy:

• potreba energie na vykurovanie (plynom) je 20 : 0,8 = 25 kWh/(m² . rok),
• potreba energie na prípravu teplej vody (plynom) je (5 – 3) : 0,8 = 2,5 kWh/(m².rok),
• potreba elektrickej energie na chladenie je 35 : 1,75 = 20 kWh/(m² . rok),
• dodaná energia v plyne je 25 + 2,5 = 27,5 kWh/(m² . rok),
• dodaná elektrická energia je 7 + 10 + 20 – 6 = 31 kWh/(m² . rok),
• primárna energia (dodávaná) je 27,5 . 1,1 + 31 . 2,5 = 30,25 + 77,5 = 107,75 kWh/(m² . rok),
• primárna energia odvádzaná do siete je 9 . 2,5 = 22,5 kWh/(m² . rok),
• čistá primárna energia je 107,75 – 22,5 = 85,25 kWh/(m² . rok).

Termín čistá primárna energia označuje dodanú a odvádzanú energiu pre každý  energetický nosič podľa vzťahu (1). Môže sa chápať ako bilančne určená primárna energia.

Čo hovoria normy a smernice
V EN 15 603: 2008 sa dodaná energia definovala ako energia vyjadrená podľa energetického nosiča, ktorou sa cez systémovú hranicu budovy zásobuje technické zariadenie budovy, aby sa zabezpečili uvažované účely použitia (vykurovanie, chladenie, vetranie, príprava teplej vody, osvetlenie alebo výroba elektriny). Pri aktívnych slnečných a veterných energetických systémoch nie sú slnečné žiarenie dopadajúce na solárne kolektory alebo kinetická energia vetra súčasťou energetickej bilancie budovy. Na národnej úrovni sa má rozhodnúť, či sa obnoviteľná energia vyrábaná na mieste započíta alebo nezapočíta ako časť dodanej energie. Tým, že sa na národnej úrovni umožnilo započítanie alebo nezapočítanie, je EN 15 603: 2008 v článku 3.3.4 vzhľadom na znenie EPBD recast v prílohe I [4] neaktuálna.

Podstatou tohto výpočtového postupu [5] je, že s obnoviteľnou energiou produkovanou v mieste budovy (možno je lepšie označenie vnútri systémovej hranice budovy) sa neuvažuje ako s časťou dodanej energie. Táto metodika sa uplatňuje v [5] a tak trochu modifikuje STN EN 15603: 2008. Vychádza z EPBD recast a jej prílohy I [4], podľa ktorej sa má pozitívny vplyv aktívnych solárnych systémov a ďalších obnoviteľných zdrojov zahrnúť do hodnotenia. Energia použitá v budove jej systémami techniky prostredia pozostáva z dodanej energie od trhových dodávateľov a z energie obnoviteľných zdrojov vyrobených v mieste budovy. Produkcia obnoviteľnej energie v mieste budovy umožňuje zásobovanie systémov techniky prostredia, a tým redukuje  množstvo dodanej energie do budovy od trhových dodávateľov. Energia z tepelných zdrojov, ako sú tepelné čerpadlá (vzduch, zem, voda) sa tiež považuje za obnoviteľnú energiu. Určitým problémom však bude definovať v technických špecifikáciách termín okolie budovy, ktorý je zavedený v definícii budovy s takmer nulovou spotrebou energie v EPBD recast [4].

Podstatným pre energetické hodnotenie budov je však znenie prílohy I v EPBD recast [4], ktoré za kritérium hodnotenia považuje primárnu energiu. Energetická hospodárnosť budovy sa vyjadruje transparentným spôsobom a zahŕňa ukazovateľ energetickej hospodárnosti a číselné ukazovatele potreby primárnej energie založenej na faktoroch primárnej energie jednotlivých nosičov energie. Tie sa môžu zakladať na národných alebo regionálnych vážených priemeroch alebo na špecifickej hodnote pre produkciu na mieste. V metodike výpočtu energetickej hospodárnosti budov by sa mali zohľadniť európske normy a táto metodika by mala byť v súlade s príslušnými právnymi predpismi Únie vrátane smernice 2009/28/ES o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov energie.

Stavebníctvo ponúka nákladovo efektívne príležitosti na zníženie spotreby energie Európska komisia navrhla v januári 2007 komplexný balík opatrení v oblasti klímy a energetiky, ktorý zahŕňa ciele znížiť spotrebu energie o 20 %, znížiť emisie skleníkových plynov o 20 % a dosiahnuť 20-percentný podiel energie z obnoviteľných zdrojov do roku 2020. Európska rada na svojom jarnom zasadnutí v roku 2007 toto smerovanie potvrdila. Stanovené ciele sa prijali vzhľadom na pribúdajúce vedecké dôkazy súvisiace so zmenou klímy, vysoké ceny energie a čoraz väčšiu závislosť od dovozu energie a z toho vyplývajúcich možných geopolitických dôsledkov. Zníženie spotreby energie môže k ich dosiahnutiu jednoznačne prispieť, a to vo významnej miere. Práve sektor stavebníctva ponúka mnohé nákladovo efektívne príležitosti na prijatie opatrení na zlepšenie energetickej hospodárnosti budov (EHB). Cieľom prepracovaného znenia smernice 2010/31/EÚ [4] Európskeho parlamentu a Rady o energetickej hospodárnosti budov 2002/91/ES zo 16. decembra 2002 [1] je objasniť a zjednodušiť určité ustanovenia, rozšíriť rozsah pôsobnosti smernice a zároveň posilniť niektoré jej ustanovenia a zabezpečiť vedúcu úlohu verejného sektora. V tomto procese sa má uľahčiť transpozícia a implementácia smernice o EHB a využiť aj značná časť zvyšného potenciálu z hľadiska nákladovej efektívnosti v sektore stavebníctva. Zároveň sa zachovajú ciele a zásady platnej smernice, pričom ako dosiaľ platí, že členské štáty si vymedzia konkrétne požiadavky a spôsoby ich uplatňovania.

Záver
Prepracované znenie smernice o energetickej hospodárnosti (EPBD recast) prináša niekoľko nových momentov do energetického hodnotenia budov. V tomto príspevku sa zaoberáme vyjadrením vplyvu obnoviteľných zdrojov energie v mieste budovy do výpočtu energetickej hospodárnosti budovy. Navrhovaný výpočet primárnej energie je v prepracovanom znení EPBD recast [4] kritériom hodnotenia energetickej hospodárnosti budov. Korektné a štandardizované započítavanie obnoviteľných zdrojov energie produkovaných v mieste budovy je predpokladom na prezentáciu energetickej hospodárnosti budov s rozličnou kvalitou. Na vrchole tejto kvality by pritom boli budovy s takmer nulovou potrebou primárnej energie alebo budovy s bilančne nulovou potrebou primárnej energie.

prof. Ing. Ivan Chmúrny, PhD.
Autor pôsobí na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Obrázky: archív autora
Ilustračné foto: Dano Veselský

Literatúra
1.    Directive of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings, COM(2001) 226 final, 2001.
2.    Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
3.    Zákon č. 17/2007 Z. z. o pravidelnej kontrole kotlov, vykurovacích sústav a klimatizačných systémov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
4.    Smernica európskeho parlamentu a Rady 2010/31/EÚ z 19. 5. 2010 o energetickej hospodárnosti budov (prepracované znenie) EPBD recast
5.    Guidelines Supplementing Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings (recast) by Establishing a Comparative Methodology Framework for Calculating Cost Optimal Levels of Minimum Energy Performance Requirements for Buildings and Building Elements, EU draft, July 2011.
6.    Kurnitski, J. – Allard, F., a kol.: How to Define Nearly Net Zero Energy Buildings nZEB. The REHVA European HVAC Journal, vol. 48, No. 3, 2011.
7.    STN EN 15 603: 2008 Energetická hospodárnosť budov. Celková potreba energie a definície energetického hodnotenia.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.