Energetická gramotnost Energetická náročnost budov

Transkript

1 Energetická gramotnost Energetická náročnost budov Ing. Jiří Labudek, Ph.D. I Ing. Lenka Michnová I Ing. Jan Neuwirt

2 Energetická gramotnost CZ.1.07/3.1.00/ PODĚKOVÁNÍ Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru věnuje poděkování autorům vzdělávacího manuálu k rozšíření informovanosti občanů o ústřední roli energie v moderním životě. Vzdělávací manuál byl realizován za finančního příspění Evropské unie v rámci projektu: Energetická gramotnost - propagace a zkvalitnění nabídky vzdělávání jednotlivců v oblasti energetiky. 1

3 OBSAH 1. Úvod Historie lidských obydlí (LAB, MICH) Energie, budovy a Evropská Unie (LAB) Tepelně izolační obálka budov (LAB) Zdroje energie v budovách (tradiční, obnovitelné) (MICH) Sluneční nergie Větrná energie Vodní energie Geotermální energie Bioenergie Biomasa Bioplyn Energetické hodnocení staveb (MICH) PENB - formalita nebo užitek Elektřina a koncový uživatel (MICH) Plyn a koncový uživatel (MICH) Příklady energeticky úsporných staveb (LAB, NEU) Monte - Rosa - Hütte: horská chata Výzkumné a inovační centrum MSDK v Ostravě Pasivní administrativní budova Otazník společnosti Intoza Energeticky pasivní bytová vila Pod altánem v Praze Závěr Seznam použité literatury (MICH) Seznam pojmů (MICH)

4 1. ÚVOD Lidský organismus jako takový je celkově náchylný na prostředí, ve kterém se vyskytuje a vyžaduje přesně definované životní prostředí s malými odchylkami. Již od nepaměti potřebuje každá lidská bytost prostor pro bydlení a díky tomu se po tisíce let utváří a vyvíjí stavební um. V současné době se jedná o vysoce sofistikovanou činnost, která kombinuje velké množství průmyslových dovedností a moderních technologií. Základním cílem a výzvou pro moderní stavebnictví je tedy zajištění ideálních životních podmínek všem uživatelů staveb za příznivých ekonomických, energetických či ekologických podmínek. 2. HISTORIE LIDSKÝCH OBYDLÍ Uplynulo mnoho času, než se stavebnictví dostalo do takové formy, tak jak ho známe dnes. A jeho vývoj není zdaleka ukončen. Je třeba si připomenout jeho základní vývoj, který započal v pravěku. V Paeolitu - v době kamenné (10-8. tisíc let př.n.l) ještě žádné stavby neexistovaly. Lidé jsou v této době silně odkázáni na přírodu a tlupy jednotlivých kmenů nacházeli svá obydlí v jeskyních. Proto můžete ještě dnes spatřit v jeskyních, na vnitřních stěnách, malby s motivy pravěkých zvířat. Později se tlupy přesouvali více do otevřeného prostoru, pod skalními převisy. Dokázali již používat jednoduché nástroje a jako ochrana před větrem a deštěm jim sloužili jednoduché přístřešky z opracovaných větví, které byly překryty kůží, viz. Obr.1. Obr. 1. Jednoduchá obydlí tvořená z větví a kůže. V době Neolitu (7-3,5 tisíce let př.n.l) si lidé staví trvalá obydlí a zakládají vesnice. Lesy pomocí náčiní kácejí, aby ze vzniklého prostoru vytvořili pole. Umějí používat měď, železnou rudu, sklo a keramiku. Během neolitické revoluce došlo k významnému rozvoji prehistorických stavebních technik. O stavebních dovednostech paleolitických lidí nevíme víc než to, co je možné odvodit z několika zlomků kamenných úkrytů, ale během neolitu byly vybudovány některé významné stavby, především hroby a mohyly a jiné náboženské stavby, ale koncem tohoto období i obytné domy, při jejichž stavbě byly poprvé použity sluncem sušené cihly viz. Obr. 2. a 3. V severní Evropě, kde neolitická transformace začala později a trvala déle, jsou obrovské kamenné monumenty, jejichž vynikajícím příkladem je Stonehenge v Anglii, výmluvným důkazem technických dovedností, nemluvě o imaginaci a matematických schopnostech společností pozdní doby kamenné. 5

5 Ve starověkubyla nejběžnějším materiálem ke stavbě hlína (na slunci vypálená cihla). Stavělo se samozřejmě také z kamene a ze dřeva, zřídka pak z malty nebo asfaltu. Ve vesnicích se stavěla hlavně různá obydlí, chýše a pro panovníky a vysoce postavené pány se stavěly chrámy a paláce. V Egyptě ( př.n.l) to byly Pyramidy a v Mezopotámii zase Zikkuraty. Obr. 2. Džosérova pyramida v Sakkáře. Obr.3. UR Nammuův Zikkurat. Na výstavbu vesnic a měst se největší mírou podílela kultura v daném území. Zejména křesťanství, které přežilo pád antických civilizací, bylo stabilizujícím faktorem společnosti. Středověk (r do 15. století n.l.) byl tehdy tvořen třemi kulturami, které velmi výrazně později ovlivňovaly architekturu a byla to: Latinská západní kultura Byzantsko-slovanská kultura Islámská arabská kultura Ve stavitelství se používaly už všechny dostupné materiály. Lidé se je naučili uplatňovat a zdokonalovat. Začaly se také vytvářet slohy, které charakterizovaly určité období středověku a tvořily tak základ novodobé architektury. Mezi tyto slohy patří: Románský sloh Gotika Renesance Baroko Rokoko Klasicismus Romantismus Realismus Tyto slohy přinesly do stavitelství nejen aplikaci materiálů, kde se dříve nepoužívaly, např. sklo jako zasklení okenních otvorů, ale také lidé pochopili, jak důležité je mít stavbu uzavřenou, neboť teplo, které si vytvářeli a udržovali z krbů jim tak neunikalo do venkovního prostoru. S dobou se také naučili využívat tzv. izolačních materiálů (dřevo, seno a sláma až po dnešní izolace), které pomáhaly teplo udržet v prostoru po delší dobu. Docházelo k tzv. akumulaci tepla. 6

6 Obr. 4. Ikona středověku - Mont-Saint-Michel na severu Francie. 3. ENERGIE, BUDOVY A EVROPSKÁ UNIE Spotřeba energie trvale a exponenciálně roste a dle prognózy z roku 2007 lze očekávat v období 2005 až 2030 nárůst světové spotřeby energie až o 55 %. Další prognóza z téhož roku uvádí dokonce nárůst světové spotřeby energie o 85 % do roku 2020, přitom v zemích Evropské unie se předpovídá nárůst pouze o 30 %. V následujících letech bude tedy energie stále žádanějším a dražším zbožím. Zcela nereálná je prognóza předpovídající snížení absolutní spotřeby energie, což je ověřená historická zkušenost. V současné době jsou největším spotřebitelem energie v Evropě právě budovy. Během svého ročního provozu vytápění, klimatizování, větrání, úpravy vzduchu, přípravy teplé vody či osvětlení spotřebují až 40% celkové energetické spotřeby evropského společenství. Segment budov výrazně expanduje, což bude mít v budoucnu za následek zvýšení energetické spotřeby EU jako celku. Snižování energetické náročnosti je cíl, který si Evropské společenství dalo již na počátku tohoto tisíciletí. V návaznosti na tento cíl byla v květnu 2010 schválena směrnici o energetické náročnosti budov tzv. EPBD II. Na jedné straně toto zvyšuje zájem o výzkum a vývoj nových a efektivnějších technologií, o hledání nových zdrojů a o celkovou racionalizaci hospodaření s energií, na druhé straně však vyvolá v mnoha případech ekonomické potíže znamenající další vážné ohrožení spolehlivosti dodávek a dostupnost energie. V souvislosti s aktuálním zněním Evropské směrnice o energetické náročnosti budov je nutné do roku 2020 projektovat budovy s výrazně nižší energetickou spotřebou budov. Podle strategie Evropské unie by to do roku 2020 mělo přinést významné snížení emisí skleníkových plynů, zvýšení využité energie z obnovitelných zdrojů za celkového snížení spotřeby energie budov až o 20 %. Nová směrnice EPBD II tedy vyjadřuje extrémní zájem Evropského společenství o změnu v oblasti energetiky budov a vytyčuje velmi ambiciózní cíle. V současnosti je tedy nutné přijímat opatření s cílem zvýšit počet budov, které nejenže splňují současné minimální požadavky na energetickou náročnost, ale jsou i energeticky účinnější, čímž dojde ke snížení spotřeby energie i emisí oxidu uhličitého. Podle směrnice EPBD II je doporučeno vždy dodržet zásadu, že je nutno zajistit, aby energetické potřeby v případě vytápění a chlazení byly sníženy na nákladově optimální úroveň, což přímo souvisí s tepelně izolační obálkou budovy (viz. kap. 3). Téměř nulová či velmi nízká spotřeba požadované energie by měla být ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů, včetně energie z obnovitelných zdrojů vyráběné v místě stavby či v jejím blízkém okolí (viz. kap. 4). 7

7 Obr. 5. Škála energetické náročnosti domů. Evropským trendem se tedy stávají nízkoenergetické či pasivní stavby s výhledovým cílem výstavby všech nových budov od roku 2020 jako tzv. budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Nízkoenergetický dům je stavba, která vykazuje spotřebu energie na vytápění v rozsahu kwh/(m 2.rok), často tohoto lze provést kvalitním projekčním návrhem či realizací stavby s výraznou tepelnou izolací a minimalizací tepelných mostů. Cirkulace vzduchu může být řízená a případně využívat rekuperaci tepla. Pasivní dům má tak nízkou tepelnou ztrátu, že není nutná instalace běžného systému vytápění. Solární tepelné zisky, vnitřní zdroje tepla včetně osob vytopí celý dům po většinu standartního roku. Pasivní dům ročně spotřebuje maximálně 15 kwh/m 2 vytápěné plochy. Na pasivní domy jsou však kladeny další požadavky, jako např. neprůvzdušnost budovy apod. Budovou s téměř nulovou spotřebou energie se rozumí budova, jejíž energetická náročnost je velmi nízká a blíží se nule, tzn. 0 5 kwh/m 2 vytápěné plochy za rok. Tepelné zisky domu by se tedy měly rovnat tepelným ztrátám. Takové řešení lze dosáhnout jen při mimořádných podmínkách, proto se v praxi s tímto typem výstavby zatím nesetkáváme, ale stává se výzvou moderního stavebnictví v nejbližší budoucnosti. Aktivní (plusový) dům je objekt, který vyrábí více energie, než kolik spotřebuje při vlastním provozu. Tohoto stavu, lze docílit například u pasivních staveb, kde dodatečně vyrábíme větší množství vlastní energie z obnovitelných zdrojů. Energeticky nezávislý dům je schopen pro pokrytí vlastní energetické potřeby využít vlastní zdroj, nezávislý na energetických rozvodných sítích. Jedná se často o objekty, které jsou realizovány na odlehlých místech, např. meteorologické stanice či horské chaty (viz. kap.8). V poslední době je v České republice zvýšený zájem o výstavbu pasivních domů. Je to dáno především neustálým zvyšováním cen energií, ekologickým smyšlením, ale také propagací, vysvětlováním principů a výhod energeticky pasivních domů.v současné době vzniká tak celoevropský společenský tlak na minimalizaci energetické náročnosti a moderní budovy se učí s energiemi hospodařit, přizpůsobovat se aktuální situaci či dokonce předvídat. Výzvou moderního stavebnictví je výstavba budov, které na základě intenzivního sledování aktuálního počasí či dokonce na základě krátkodobých předpovědí dokážou řídit a usměrňovat toky energií v budově. Získaná meteorologická data se stávají často základem pro systém regulace vnitřní teploty a celkové energetické správy objektu. Podobně jako domy by v budoucnu měly na výkyvy počasí reagovat i rozvodné sítě poněvadž stále roste zastoupení větrných a slunečních elektráren, silně závislých na počasí, budou předpovědi počasí jedním z klíčových faktorů pro správný chod sítě. Moderní budovy jsou doslova protkané elektronickými sofistikovanými řídicími systémy, které pečují o řádný chod všech systému instalovaných do budovy. 8

8 Nejmodernějším pasivní stavbou v zemi je v současnosti výzkumné a školicí středisko MSDK, které je odvozeno od základního formátu příměstského domu (viz. kap.8). Jedná se o unikátní centrum, které slouží jako názornáukázka moderního pasivního domu, který slouží výuce či výzkumu v oblasti navrhování a realizacímoderních dřevostaveb šetrných k životnímu prostředí. 4. TEPELNĚ IZOLAČNÍ OBÁLKA BUDOV Pravděpodobně nejdůležitější součástí moderních domů s nízkou spotřebou energie je vrstva tepelné izolace, která tvoří tepelně izolační obálku stavby. V současné době stavebnictví využívá velké množství stavebních materiálů s vynikajícími vlastnostmi a moderní tepelné izolace jsou neodmyslitelnou součástí moderních staveb a je nutné izolovat domy masivní tloušťkou tepelné izolace, čímž se výrazně snižuje tepelná ztráta objektu. Základem úspor je dobré stavební řešení tepelně izolační obálky objektu. Minimalizace tepelných ztrát zajistí nízké dodávky tepla do objektu, a přesto v něm zůstane příjemná tepelná pohoda. Tepelné ztráty jsou výrazně závislé na tepelně technických vlastnostech ochlazovaných konstrukcí. Abychom snížili energetické potřeby na vytápění, a chlazení na nákladově optimální úroveň musíme zajistit kvalitní tzv. tepelně izolační obálku budovy. Obalové konstrukce budov jsou části staveb, které obalují interiér budovy a oddělují ho tak od exteriérového prostředí. Mezi tyto konstrukční a prvky patří: střešní pláště, obvodové stěny, okna, dveře, lehké obvodové pláště či podlahy. Obálka budovy je tedy technický pojem, který v sobě zahrnuje všechny obalové konstrukce budov, které obalují vnitřní prostředí budovy. S rostoucími požadavky na tepelně-izolační ochranu budov roste významně vliv tepelných mostů na celkovou tepelnou ztrátu objektu. Zanedbáním tepelných mostů do výpočtů dochází k výraznému nadhodnocení obvodové konstrukce z tepelně technického hlediska.tepelný most je místo v konstrukci, kde dochází k větším tepelným tokům než v bezprostředním okolí tohoto místa. Jde tedy o místa, kudy uniká na jednotku plochy mnohem více tepelné energie než okolní konstrukcí při stejné ploše. Kvalitu vnitřního mikroklimatu s malými provozními náklady můžeme pozitivně ovlivnit použitím obvodových plášťů s difúzně otevřenou skladbou obvodového pláště. U těchto plášťů jsou vrstvy navrženy tak, aby umožnily prostup plynů a vodních par z interiéru budovy do exteriéru. Moderních obvodové pláště budov se posuzují pomocí Součinitele prostupu tepla, který je v tepelné technice budov nejdůležitější veličinou a charakterizuje tepelněizolační schopnost konstrukce. Součinitele prostupu tepla přímo závisí na fyzikálním parametru látky zvaném Součinitel tepelné vodivosti, který udává schopnost stejnorodého materiálu vést teplo.součinitel tepelné vodivosti udává výkon, který projde každým čtverečním metrem desky tlusté 1 metr při teplotním rozdílu 1 Kelvin. Součinitel prostupu tepla konstrukcí U [W/m 2 K] tedy vyjadřuje celkovou výměnu tepla mezi prostory oddělenými od sebe danou konstrukcí. Tab. 1. Součinitele tepelné vodivosti stavebních materiálů. Materiál Železo Led Železobeton Beton hutný Malta cementová Dřevo Polystyren Objemová hmotnost ρ [kg/m3] Součinitel tepelné vodivosti λ [W/(m.K)] 80,2 2,30 1,43 1,23 1,16 0,4-0,18 0,035 9

9 Obr. 6. Porovnání materiálů pro obvodové pláště budov. Na Obr. 6 jsou viditelné různé tloušťky materiálu potřebné pro zajištění identických tepelně izolačních vlastností obvodových plášťů staveb. Z tohoto pohledu by bylo nejvýhodnější tedy obvodové pláště staveb budovat přímo z tepelné izolace, v praxi se často jedná o nemožné řešení, avšak snažíme se k němu přiblížit například využitím I nosníku na bázi dřeva vkládaných mezi masivní tloušťky tepelných izolací moderních staveb na bázi dřeva. Instalace tepelné izolace do obvodového pláště mezi nosné prvky v celé šíři zajišťuje celkové snížení tloušťky stěny (Obr. 7), čímž se snižuje zastavěná plocha u celkové plochy objektu. Stěnová konstrukce menší tloušťky přispívá ke zvětšení vnitřního prostoru nebo umožňuje zmenšení vnějšího obvodu stavby při zachování podlahových ploch. Svislý řez konstrukcí obvodového pláště na bázi dřeva Půdorysný řez konstrukcí obvodového pláště na bázi dřeva Obr.7. Základní posuzovaná skladba obvodového pláště. [3] 10

10 Obvodové pláště s uvedenou skladbou (obr. 7) v tloušťkách 205 až 755 mm dosahují Součinitele prostupu tepla U = 0,26 až 0,06 W/(m 2.K). Již při celkové šířce konstrukce 305 mm lze prohlásit obvodový plášť za vhodný pro stavby v pasivním standardu. Velice efektivní z pohledu současné doby se jeví konstrukce v šířce 305 až 505 mm. S výhledem do let 2030 až 2050 se předpokládá větší prosazování těchto obvodových plášťů s šířkou 555 až 755 mm s cílem dosáhnout ve výstavbě tzv. nulového standardu při výstavbě, kde nemalou roli budou hrát právě obvodové pláště staveb. Obr. 8. Graf závislosti součinitele prostupu tepla na tloušťce obvodového pláště dle Obr.7. [3] 5. ZDROJE ENERGIE A JEJICH KONEČNÉ VYUŽITÍ BUDOVÁCH (TRADIČNÍ, OBNOVITELNÉ) Když se opět vrátíme k pravěku, zjistíme, že od pradávna byl zdrojem energie a tepla oheň. Objev toho, že oheň může být zkrocen a kontrolován a další objev, že lze vznítit oheň vytrvalým třením dvou suchých kousků dřeva, byly převratné. Oheň byl nejdůležitějším příspěvkem prehistorie k energetickým zdrojům, i když kromě toho, že poskytl ochranu před divokou zvěří, bylo přímo z ohně získáváno jen malé množství energie. V době Neolitu byl oheň využíván hlavně pro vytápění chrámů a paláců. Přechod ze starověku do středověku sebou nesl důmyslnější využití ohně. V evropských zemích se ve středověku vyhranily tři základní oblasti, které začaly nahrazovat otevřená ohniště viz. obr. 9 (z části nebo zcela). Byly to tzv. otopná zařízení. Mezi tyto oblasti patří: Pec, která byla typickým otopným zařízením ve východní Evropě; Krb a otevřené ohniště uvnitř budovy - typické pro západ, jihozápad a jihovýchodní Evropu; Spojení ohniště a pece - typické pro severo a středoevropské území, tzv. dvojtopenišťový dům; Východoevropská pec sloužila k vaření, pečení a vyhřívání, na ohništi a krbu v západní, jihozápadní a jihovýchodní Evropě se vařilo a oheň na nich planoucí vyhříval příbytek; severoevropské a středoevropské ohniště spojené s pecí se využívalo k vaření, pec vyhřívala obydlí a peklo se v ní. Území České republiky patří do oblasti středoevropského domu dvoj-topenišťového. 11

11 Obr. 9. Příklady otevřených ohnišť. Obr. 10. Příklad krbu. Mladší druhem otopného zařízení jsou kachlová kamna (viz. obr. 11), která se uplatňovala nejen na zámcích, ale také v chalupách na vesnici. Obr. 11. Přehled historických kachlových kamen. V současnosti jsou kachlová kamna nahrazena moderním systémem otopných zařízení. Mezi ně lze zařadit: krby a krbové vložky, otopná tělesa tzv. radiátory, podlahové vytápění nebo teplo do místnosti může být přivedeno pomocí vzduchotechniky. Na začátku této kapitoly bylo zmíněno, že nejdůležitější energií je oheň. V přeneseném slova smyslu je oheň stále žádoucí k vytvoření tepelné energiepři spalování jakéhokoliv paliva, ať je to plyn, dřevo, uhlí nebo brikety. Je nutné vědět, že zdroje paliv můžeme rozdělit na tzv. obnovitelné (OZE) a neobnovitelné (NOZE). S tímto rozdělením jste se již setkali při čtení manuálu Energetika 21. století, kde jste se mohli dozvědět podrobnosti a zajímavosti o jejich využití hlavně pro výrobu elektrické energie. V tomto manuálu si jednotlivé rozdělení zdrojů energie popíšeme s ohledem na jejich využití v domácnostech. Nejdříve je třeba začít základním rozdělením obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie. 12

12 Neobnovitelné zdroje paliv jsou zdroje, u kterých můžeme v rámci stovek let očekávat jeho vyčerpání, a jeho obnovení by trvalo mnohonásobně déle. Tyto paliva bývají také často nazývány: Fosilními palivy. Mezi neobnovitelné zdroje paliv patří: Uhlí (černé a hnědé) viz. obr. 12. Ropa Zemní plyn Rašelina Jaderná energie* Obr. 12. Černé uhlí. Jejich využití je dosud víc jak 80 %. Stále nejvíce se v elektrárnách využívá černého a hnědého uhlí, více jak 60 % pak pro výrobu elektrické energie (viz. Obr. 13.). Vedlejším produktem při této výrobě je energie tepelná (teplo), která se pomocí rozvodů ve městech dostává do našich otopných zařízení (radiátorů). Jedná o tzv. dálkové vytápění. Pokud si uhlím či zemním plynem topíte sami, jedná se o tzv. lokální vytápění. Bohužel fosilní paliva při jejich nesprávném spalování produkují značné množství škodlivých látek. Což nepříznivě ovlivňuje prostředí, ve kterém žijeme. Zejména vzduch, který pak dýcháme. Obr. 13. Graf obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie pro výrobu elektrické energie. * Jaderná energie patří mezi neobnovitelné zdroje, neboť přírodní zásoby štěpných materiálů jsou vyčerpatelné. V druhé kapitole jste si přečetli, že je nutné do roku 2020 zvýšit o 20 % podíl obnovitelných zdrojů a snížit o 20 % produkci emisí skleníkových plynů. Dnes se s využití obnovitelných zdrojů pro hrubou výrobu tepelné energie pohybuje okolo 8 % [1]. A co to vlastně jsou obnovitelné zdroje energie -paliv? Jsou to zdroje, v jehož čerpání lze teoreticky pokračovat další tisíce až miliardy let. Toto označení se používá pro některé vybrané, na Zemi přístupné formy energie, získané primárně předevšímz termojaderného spalování vodíku v nitru Slunce. Dalšími zdroji je teplo zemského nitra a setrvačnost soustavy Země-Měsíc. 13

13 Tuto energii čerpáme ve formě: Slunečního záření Větrné energie Vodní energie Geotermální energie Biomasa Bioplyn Skládkový a kalový plyn 5.1. Sluneční energie Obr. 14. Solární trubicové kolektory.. Většina obnovitelných zdrojů má svůj původ v energii slunečního záření. Největší potenciál (ve smyslu množství energie, které nám může poskytnout) má přímé využití slunečního záření k výrobě tepla nebo elektřiny. Je to asi jediný obnovitelný zdroj, který by v případě nutnosti dokázal dlouhodobě pokrýt veškerou současnou potřebu energie. Sluneční energii, kterou můžeme my jako koncoví uživatelé v domácnostech využít např. pro ohřev teplé vody nebo vytápění je buď přímo kdy energie je zachycena pomocí solárních panelů (přeměna sluneční energie na tepelnou) viz. obr. 14. Solární trubicové kolektory, nebo pomocí fotovoltaických panelů (přeměna sluneční energie na energii elektrickou), nebo nepřímo kdy, sluneční energie je vázána v živých organismech (většinou ve formě sloučenin uhlíku jako je dřevo, obilí atd.) a jedná pak o tzv. bioenergii. Pokud je sluneční energie vázána do potenciální energie vody, pak se jedná o energii vodní. Pokud se tato energie přemění na kinetickou energii vzdušných mas - vítr, jedná se o energii větrnou. V českých domácnostech se stále více rozšiřuje využití právě solárních kolektorů pro ohřev teplé vody (TV). Je to dáno tím, že spotřeba TV je po celý rok stálá. Přebytky, viz. obr. 15 (solární záření dopadající na plochu kolektoru), které nám vznikají v letním měsících, kdy je nadměrné sluneční záření, oproti zimním měsícům, můžeme pak převést pro ohřev vody v bazénech. Sluneční kolektory lze samozřejmě uplatnit pro dotápění objektu. Má to ale svá úskalí. Značnou nevýhodou je chybějící sluneční záření v zimních měsících viz. obr.15.(potřeba topné energie). Z tohoto důvodu je zapotřebí další zdroj tepla např. plynový kondenzační kotel. Obr. 15. Sluneční energie a její využití v domácnostech. 14

14 Plocha a počet solárních kolektorů se odvíjí zejména podle jejich umístění a použití a podle počtu osob v objektu. Pokud to stavba umožňuje, umísťujeme solární kolektory na střechu, vždy na jižní stranu (nejvíce slunečního svitu během dne) ve sklonu 45. Příkladem může být rodinný dům s 2-4 osobami, kdy pro ohřev TV je zapotřebí přibližně 6 m 2 plochy kolektorů, což odpovídá 3-4 kolektorům. Pokud se rozhodneme sluneční energií přitápět, pak se tato plocha bude pohybovat okolo 14 m 2. Obr. 16. Fotovoltaické panely. Druhým, a v posledních letech častějším využitím sluneční energie je pomocí fotovoltaických panelů viz. Obr. 16. Fotovoltaické panely na rodinném domě. Jejich instalace zaznamenala v minulém roce značný boom. Podle sdělení Energetického regulačního úřadu (ERÚ) bylo loni instalováno přes 107 MW malých střešních solárních elektráren. Princip přeměny sluneční energie v energii elektrickou je popsán v manuálu Energetika ve 21. století, proto se tím zde nebudeme zabývat. Umístění fotovoltaických článků se od solárních kolektorů v zásadě neliší. S plochou je to však jinak. Příkladem je opět rodinný dům se 2-4 osobami, kdy denní spotřeba elektrické energie se pohybuje okolo 945 Wh. K této hodnotě je třeba připočíst i ztrátu všech částí solárního systému, což je cca 30 %. Potřebná dodávka elektrické energie je pak 1345 Wh. Když budeme brát, že denní výroba elektrické energie z 1Wp výkonu panelu je 2,6Wh (pro období březen-říjen), pak výsledná hodnota potřebného výkonu je 1345/2,6 = 517 Wp na den. Je zde třeba zdůraznit, že hodnota 260Wh získané elektrické energie denně, není průměrnou hodnotou denní vyrobené energie za období březen-říjen, ale průměrnou denní výrobou elektrické energie v nejslabším měsíci z období březen-říjen, tedy v měsíci říjnu. U fotovoltaických i solárních kolektorů se dá v dalších letech očekávat zvyšování jejich účinnosti a tím i zvyšování jejich využití.veškeré uvedené hodnoty jsou pouze orientační a nedají se tudíž brát za konečné Větrná energie Obr. 17. Malá větrná turbína. Větrná energie je dalším obnovitelným zdrojem energie, kterou můžeme u rodinných domů využít. Síla větru byla již dříve využívána například k pohánění větrných mlýnů. Energie větru je v dnešní době využívána především k výrobě elektřiny. Tento způsob je spíše uplatňován v USA nebo v Austrálii. Pro naše podmínky je značnou nevýhodou cena větrné turbíny viz. obr. 17. Malá větrná turbína, která se pohybuje okolo 200 tisíc. Větrná elektrárna, při jmenovitém výkonu W, který je dosažen při rychlosti větru 14 m/s (50 km/h), je schopna vyrobit kwh za rok elektrické energie. Při výkupních cenách kolem 2,30 Kč tak při připojení k distributorovi elektřiny vyděláte něco přes šest tisíc korun ročně. Návratnost tohoto systému je pak okolo 30 let. V důsledku značně dlouhé doby návratnosti se domácí větrné elektrárny u nás nevyplatí. 15

15 5.3. Vodní energie Energie vody neboli vodní energievzniká při koloběhu vody na Zemi působením sluneční energie a gravitační síly Země. Vodní energie je využívána pro výrobu elektřiny ve velkých či malých vodních elektrárnách na základě jejího proudění (kinetická energie rychlost a spád toku) a tlaku (potenciální energie gravitace a výškový rozdíl hladin), popř. spolupůsobením těchto veličin. Vodní energie je druhou nejvíce využívanou energíí na zemi hned po biomase a patří pořád mezi nejekologičtější zdroje energií. Vodní energie se využívá již od starověku. Nejprve to bylo k dopravě (splavování lodí a vorů či dřeva po proudu řek), později k pohonu mechanismů (mlýnů, hamrů, čerpadel například vodního trkače a pil). K rozšíření jejího využívání v Evropě došlo v období středověku primárně zásluhou mnišských řádů (především benediktinů a cisterciáků), jejichž kláštery ji nejen hojně využívaly, ale též si mezi sebou relativně rychle předávaly vylepšení zvyšující efektivitu jejího využití. Obr. 18. Malá vodní elektrárna. Dnes si můžeme, pokud máme v blízkosti rodinného domu popřípadě chaty vodní tok, zhotovit nebo objednat malou vodní elektrárnu. Výkon závisí pouze na průtoku, který se odvíjí podle množství srážek v dané oblasti a na ročním období. Malé vodní elektrárny (MVE) sice nemohou využívat hrází pro vytvoření vodního spádu a stálé zásoby vody, tak jak je tomu u velkých vodních elektráren, ale při vhodném umístění a konstrukčním řešení mohou patřit k nejekologičtějším a nejekonomičtějším energetickým zdrojům vůbec. MVE často bývají provozovány v místech, kde je přinejmenším část jimi vyrobené energie spotřebovávána, čímž odpadají ztráty vznikající při jejím přenosu na dlouhé vzdálenosti. Obezřetnost je na místě i při budování elektrárny zcela nové. Klíčový význam pro úspěch každého takového projektu má výběr vhodné lokality. O výkonu budoucí elektrárny bude rozhodovat využitelný průtok (neměl by příliš kolísat) a spád vodního toku (měl by dosahovat alespoň 1 metru). Součin obou těchto veličin společně s účinností použité turbíny a generátoru bude určovat množství elektřiny, které bude elektrárna schopna vyrábět. Příklad: výkon elektrárny vybavené Kaplanovou turbínou využívající spád 3 metry může při průtoku 1 m 3 /s dosahovat cca 25 kwe. Ekonomická návratnost se bude odvíjet hlavně podle pořizovacích nákladů, po odečtení dotací a podle stálosti vodního toku. Příkladem využití vodní energie je malá vodní elektrárna v obci Zátor na Krnovsku. viz. obr Geotermální energie Geotermální energie je přirozený projev tepelné energiezemského jádra, která vzniká rozpadem radioaktivních látek a působením slapových sil. Jejími projevy jsou erupce sopek a gejzírů, horké prameny či parní výrony. Využívá se ve formě tepelné energie (pro vytápění), či pro výrobu elektrické energie v geotermálních elektrárnách. Obvykle se řadí mezi obnovitelné zdroje energie, nemusí to však platit vždy některé zdroje geotermální energie jsou vyčerpatelné v horizontu desítek let. Obr. 19. Geotermální energie - Národní park Yellowstone v USA. Zvláštním případem geotermální energie a termální energie je energie z okolního prostředí, kterými jsou: Voda Země Vzduch 16

16 Tepelná energie obsažená ve vzduchu, zemi nebo vodě má však nízkou hodnotu a má význam tzv. nízkopotenciálního tepla. K tomu, abychom teplo mohli využít pro ohřev TV nebo vytápění je zapotřebí speciálního zařízení, které dokáže převést nízkopotenciální teplo na hodnoty daleko vyšší. Tyto zařízení se nazývají tepelná čerpadla a jedná o tzv. alternativní zdroje energie. Podle využití energie z okolního prostředí je dělíme na TČ: Země/voda Voda/voda Vzduch/voda Vzduch/vzduch Tepelná čerpadla pracují na principu (laicky řečeno) obrácené ledničky (viz. obr. 20. Princip tepelného čerpadla) a mají čtyři základní části. Odjímají teplo z okolního prostředí - teplonosná látkatzv. Solanka ve výparníku předává teplo ze země, vzduchu nebo vody pracovní látce, kde dojde k jeho zahřátí a následnému odpaření, převádějí ho na vyšší teplotní hladinu - stlačením pracovní látky (páry) v kompresoruna vysoký tlak a následně umožňují teplo účelně využít pro vytápění nebo ohřev teplé vody - předáním tepla přes kondenzátor do otopného systému nebo výměníku v ohřívači TV. Po odevzdání tepelné energiepára procházející přes expanzní ventil mění zpět na kapalinu a celý proces se opakuje. Obr. 20. Princip tepelného čerpadla. Tepelné čerpadlo je ve většině případů složeno ze dvou částí: vnější a vnitřní jednotky. Vnitřní jednotka je skoro k nerozeznání od klasického plynového kotle. Vnější jednotka - její podoba se odvíjí podle druhu odjímané energie: Vertikální vrt nebo plošný kolektor (obr. 21 a 22); Studna (obr. 23); Venkovní vzduchová jednotka (obr. 24). Obr. 21. Zemní vrt. Obr. 22. Plošný kolektor. 17

17 Obr. 23. Vodní vrt. Obr. 24. Venkovní vzduchová jednotka. Tepelná čerpadla se v dnešní době používají zejména pro vytápění nízkoenergetických a pasivních domů. Značnou nevýhodou je jejich pořizovací cena, která se podle druhu TČ pohybuje od tisíc Kč. Výhodou TČ jsou pak jejich nízké provozní náklady spojené s pohonem kompresoru. Díky tomu se návratnost TČ pohybuje do desítky let Bioenergie Bioenergie je obnovitelná energie, která vzniká uvolněním chemické energie ze surovin biologického původu. Tyto zdroje energie se označují jako biomasa. Z ní jsou vyráběny rozmanité typy biopaliv, např. dřevěná štěpka, dřevěné brikety, bioplyn, bioetanol, bionafta atd Biomasa Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické účely. Biomasu můžeme rozdělit na: Biomasu živočišného původu (exkrementy ze zemědělské produkce a od stájových zvířat nebo odpady - skládkování, čistírenské kaly) Biomasu rostlinného původu, tzv. fytomas: Dřevní hmota (odpadní) - palivové dřevo, štěpka, pelety nebo brikety, Stébelniny, sláma, traviny - balíky, agro-pelety, Energetické rostliny - cíleně pěstované dřeviny (štěpka), obiloviny a traviny, Plodiny - olej (semena), cukry (ovoce, cukrová řepa aj.) škroby (kukuřice, brambory aj.). Obr. 25. Dřevní štěpka (vlevo), brikety (uprostřed) a pelety (vpravo). 18

18 Biopalivo Biopalivo vzniká cílenou výrobou či přípravou z biomasy. Představuje tedy jedno z možných využití biomasy, kterou lze jinak použít jako surovinu pro výstavbu, nábytek, balení, pro výrobky z papíru atd. Biopaliva rozdělujeme: Plynná Kapalná Pevná Plynná biopaliva Plynná biopaliva jsou biopaliva, která se v podmínkách, při nichž jsou skladována, dopravována a připravována pro energetické využití, nachází v plynném stavu. Mezi plynná biopalivapatří zejména: Bioplyn skládající se z methanu a oxidu uhličitého. Tento plyn vzniká přirozeným rozkladem na skládkách odpadů, jedná se o tzv. skládkový plyn nebo v zemědělství a jedná o tzv. kalový plyn. Dřevoplyn skládající se z oxidu uhelnatého a vodíku vyráběný zplaňováním biomasy. Vodík - vyrobený štěpenímjakéhokoliv uhlovodékového biopaliva. Kapalná biopaliva Kapalná biopaliva jsou biopaliva, která se v podmínkách, při nichž jsou skladována, dopravována a připravována pro energetické využití, nachází v kapalném stavu. Mezi kapalná biopaliva patří: Alkoholová paliva - Bioethalon, Biomethalon, Butanol; Biooleje - rostlinný olej, použitý fritovací olej, Bionafta; Zkapalněná plynná biopaliva - Bioplyn a dřevoplyn; Odpadní produkty. Není jednoduché si vybrat mezi množstvím jednotlivých paliv a zdrojů. Nesmíme však opomenout, že je třeba začít razantně pomáhat životnímu prostředí kolem nás. Při výběru vhodného paliva a tím i zdroje tepla je třeba zvážit několik hledisek, které musí být v souladu s vaší budoucí stavbou. Jedná se především o tepelné ztráty objektu (teplo, které nám ze vnitř objektu uniká do venkovního prostoru). Určujícím faktorem pro efektivní a ekonomické vytápění je správná volba optimálního výkonu zdroje tepla a v neposlední řadě i typu zdroje tepla podle výše popsaných zdrojů paliv (jako jsou kotle, krbové vložky, solární kolektory atd.). Na všechny výše popsaná paliva a energie dnes existují zařízení, která dokážou tyto paliva spalovat co nejefektivněji s nízkým vlivem na životní prostředí. Výkon topné soustavy se stanovuje na základě výpočtu tepelných ztrát objektu, které jsou základem pro výpočet celkové spotřeby energie pro vytápění domu. Výpočet tepelných ztrát slouží pro dimenzování systému vytápění budovy. S tepelnými ztrátami velmi úzce souvisí i celková energetická náročnost budovy. Jaký je význam tohoto spojení se dozvíte v následující kapitole. 19

19 6. ENERGETICKÉ HODNOCENÍ STAVEB Energetické hodnocení budov je pojem, který je v poslední době často slyšet. K energetickému hodnocení dochází u všech elektrospotřebičů, která jsou běžnému spotřebiteli viditelná v podobě energetických štítků, viz. obr. 27, v prodejnách domácích spotřebičů, dále v oblasti dopravy, kde jsou v průběhu let postupně zvyšovány nároky na nové automobily vyjádřené emisními kategoriemi, a nyní se tento trend naplno projevil i v sektoru budov. Energetickou náročnost budovy lze totiž významně ovlivnit pouze při její stavbě nebo při rekonstrukci. Jakmile je budova hotová, nese s sebou svou energetickou spotřebu po desítky let. Energetická náročnost budovy při nesprávném řešení může mít velký ekologický dopad na životní prostředí. Obvykle chápeme tento pojem v souvislosti s vytápěním. Nyní však hodnocení budov získává mnohem širší souvislosti: kromě vytápění (tepelné ztráty objektu) se sleduje také spotřeba energie na ohřev vody, na větrání, chlazení, osvětlení a také na pohon podpůrných systémů, jako jsou čerpadla, motory a ventilátory. Kromě odborníků si totiž málokdo uvědomuje, že například u moderních kancelářských budov nebo obchodních center není hlavní spotřebou energie vytápění, ale větrání a chlazení. U velmi dobře zateplených rodinných domků může být zase významná spotřeba teplé vody.co se ovšem do spotřeby budovy nezapočítává, je spotřeba elektřiny na provoz elektrospotřebičů, jako je chladnička, myčka, pračka či počítač a desítky dalších spotřebičů. Nesmíme také zapomínat na energii z vnitřních zdrojů, které se nachází v budově a pomáhají nám nepřímo budovu vytápět. Mezi tyto vnitřní zdroje především patří: metabolického tepla uživatelů a obyvatelů budovy každá osoba vydává metabolické teplo o výkonu W; tepelného výkonu spotřebičů (TV, PC, rychlovarná konvice, mikrovlnná trouba, žehlička a další); osvětlovacích zařízení v budově. Obr. 26. Energetický štítek elektrospotřebiče. S nástupem dokládané energetické náročnosti budov vznikl velký tlak trhu na lepší energetickou třídu budov. Investoři si velmi dobře uvědomují tržní výhodu, kterou jim lépe hodnocená budova nabízí při jejím prodeji nebo pronájmu. Situace je podobná té, která vznikla před lety po zavedení štítků u elektrospotřebičů během jednoho roku se přestaly neúsporné spotřebiče zcela prodávat a tedyi vyrábět. V minulém roce byla odsouhlasena velká novela zákona č. 406/2000 Sb. a v důsledku toho byly změněny i prováděcí vyhlášky, podle kterých se energetická náročnost posuzuje. Tato novela zákona platí od 1. ledna letošního roku, tj Do té doby se posuzovaly pouze novostavby nebo významné rekonstrukce staveb s plochou nad 1000 m 2 jedná se tudíž o panelové a bytové domy. U budov s celkovou podlahovou plochou nad 1000 m 2, které jsou přístupné veřejnosti pro účely školství, zdravotnictví, kultury, obchodu, sportu, ubytovacích a stravovacích služeb, zákaznických středisek odvětví vodního hospodářství, energetiky, dopravy a telekomunikací a veřejné správy, musí být průkaz viditelně vyvěšen. Průkaz se dále dokládá při prodeji nebo pronájmu budovy nebo její části. 20

20 Energetická náročnost se netýkala samostatných budov s plochou do 50 m 2, budov užívaných občasně, jakou jsou kostely, dále nevytápěných zemědělských staveb, výrobních hal a další podobné výjimky. Od ledna 2013 se k posuzovaným stavbám přidaly všechny obytné budovy (rodinné domy atd.), které jsou určené k prodeji. Hlavním důvodem, proč navrhovat energetické úsporné stavby nespočívá jen v ochraně životního prostředí, ale také v tom, že jakákoliv úspora na energie šetří do budoucna i naše peněženky.pokud ale budeme porovnávat rodinný domek, který budeme vytápět plynem, s domkem vytápěným elektřinou, zjistíme významný rozdíl v nákladech, i když budou mít oba stejné energetické hodnocení. Průkaz totiž zajímají pouze energie, ale nikoli to, kde je bereme. Aby se dalo jednoduše rozlišit energeticky úsporné stavby, které jsou popsány v kapitole 2., jsou stavby rozděleny do sedmi kategorií A - F. Hodnocená budova musí splňovat požadavek energetické náročnosti v rozmezí kategorií A C; této podmínce nemusejí vyhovět budovy dočasné s plánovanou dobou užívání do dvou let, budovy experimentální, budovy s občasným užíváním, zejména náboženské, obytné budovy s užíváním méně než 4 měsíce v roce, budovy o celkové ploše menší než 50 m 2, budovy obsahující vnitřní technologické zdroje tepla, výrobní budovy v průmyslových areálech a provozovny a zemědělské budovy s nízkou roční spotřebou energie na vytápění. V případě, že podmínce nízké energetické náročnosti nevyhovuje projekt rekonstrukce, je nutno doložit energetickým auditem technickou nebo ekonomickou nemožnost lepšího řešení, nebo se lze odvolat na jinou překážku, například památkovou ochranu budovy. Hlavním výstupem průkazu energetické náročnosti budovy je hodnota spotřeby energie na metr čtvereční podlahové plochy. Dalším problémem je, že výsledné kritérium spotřeby energie na m 2 sčítá energie s různou cenou - teplo na vytápění bývá levnější než elektřina pro osvětlení či pohon čerpadel a ventilátorů. Abyste zjistili, kolik kwh elektřiny, m 3 plynu nebo metráků uhlí dům spotřebuje, musíte zapátrat hlouběji v celém několikastránkovém protokolu k průkazu. Obr. 27. Průkaz energetické náročnosti budovy (PENB), vlevo průkaz zpracovaný do roku 2013, vpravo průkaz, který se bude zpracovávat od dubna V návaznosti na novelu zákona č.406/2000 Sb. a na související novelu vyhlášky č.148/2013 Sb., jejíchž účinnost byla stanovena na 1.dubna 2013 se razantně změní posuzování energetické náročnosti budov. Všechny nově projektované objekty budou muset splňovat nákladově optimální úroveň, do níž spadají už pouze 21