Příklady nového hodnocení energetické náročnosti budov podle vyhlášky 78/2013 Sb. budovy s téměř nulovou spotřebou energie Ing. Miroslav Urban, Ph.D. Katedra technických zařízení budov Stavební fakulta, ČVUT v Praze http://tzb.fsv.cvut.cz
Budovy s téměř nulovou spotřebou energie* a podíl OZE *nzeb
% (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016 Cesta k budově s téměř nulovou spotřebou energie - ČR 120 100 80 60 40 20 0 2012 2013 2015 2020 Uem 100 80 80 70 Δ ep-rd 100 100 90 75 Δ ep-bd 100 100 90 80 Δ ep-ostatní 100 100 92 90 >1500 m 2 > 350 m 2 < 350 m 2 Budovy, jejímž vlastníkem a uživatelem bude orgán veřejné moci nebo subjekt zřízený orgánem veřejné moci Od 1.1.2016 Od 1.1. 2017 Od 1.1 2018 Ostatní Od 1.1 2018 Od 1.1 2019 Od 1.1 2020
Neobnovitelná PE Optimalizace návrhu podílu OZE Požadavek na neobnovitelnou primární energii lze splnit zvýšením využití obnovitelných zdrojů zvýšením parametrů stavebních prvků obálky budovy zvýšením parametrů technických systémů budovy [Vyhláška 78/2013 Sb příloha 5] Příklad požadavku na referenční hodnoty NOVÉ BUDOVY Optimalizační úloha s více proměnnými - BUDOVY S TÉMĚŘ NULOVOU SPOTŘEBOU ENERGIE Průměrný součinitel prostupu tepla
Nové pojmy - směrnice 2010/31/EC (EPBDII) Budova s téměř nulovou spotřebou energie? 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.
Co jsou obnovitelné zdroje energie (OZE)? obnovitelnými zdroji se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiž jsou energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, energie kalového plynu z čistíren odpadních vod a energie bioplynu. Zákon o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů č. 165/2012 Sb. 2 odst a) (Zákon 406/2000 ve znění 103/2015 (platný od 1.7.2015) již definici neuvádí)
Bytový dům ve Frankfurtu (Německo) Novostavba bytového domu s 17 byty, celková energeticky vztažná plocha 1170 m 2. Obálka budovy 30 cm EPS U= 0.10 W/m²K, Okna s trojitým zasklením U= 0.70 W/m²K. Okna jsou otvíravá Zdroj: HEIKE ERHORN-KLUTTIG, HANS ERHORN, ANTJE BERGMANN. NZEB Apartment Building - Codierstraße 4, 60326 Frankfurt am Main. CA EPBD 3, Tallin 2015
Bytový dům ve Frankfurtu (Německo) Energetické zdroje: - plynová kogenerační jednotka o výkonu 5 kwel + 14,6 kwt - záložní plynový kondenzační kotel 35 kw, - 40 m² vakuových trubicových solárních kolektorů a - 280 m² polykrystalických fotovoltaických panelů. - Teplo je akumulováno v zásobnících 2 x 3 m 3 distribuováno z 5 % otopnými tělesy a z 95 % decentralizovaným teplovzdušným vytápěním a větráním se zpětným získáváním tepla. - Příprava teplé vody centrální.
Bytový dům ve Frankfurtu (Německo) Budova je zásobována bioplynem a instalací rozsáhlého pole fotovoltaických panelů, kde bylo využito sousedního přístřešku pro parkování aut. Celková bilance primární energie je -19,1 kwh/m²rok Zdroj: HEIKE ERHORN-KLUTTIG, HANS ERHORN, ANTJE BERGMANN. NZEB Apartment Building - Codierstraße 4, 60326 Frankfurt am Main. CA EPBD 3, Tallin 2015
Rekonstrukce bytového domu v Kapfenbergu (Rakousko) Rekonstrukce bytového domu s 32 byty, celková energeticky vztažná plocha 2240 m 2. Obálka budovy 22 cm minerální vlny U= 0.12 W/m²K, Okna s trojitým zasklením U= 0.90 W/m²K, předehřev větracího vzduchu v konstrukci Zdroj: WOLFGANG JILEK, MARCUS DEOPITO NZEB Apartment Building Renovation - Johann Böhm Strasse 36, 8605 Kapfenberg. CA EPBD 3, Tallin 2015
Rekonstrukce bytového domu v Kapfenbergu (Rakousko) Systémy TZB CZT 115 kw, odpadní teplo z průmyslu 200 m² plochých solárních kolektorů 620 m² polykrystalických fotovoltaických panelů. Teplo je akumulováno v zásobníku 7 m 3, teplovodní OS Větrání řízené, 3 typy systémů ZZT, ZZT+CO2,podtlakové (testování). Příprava teplé vody lokální, zásobníky 110 l.
Případová studie - Rodinný dům jako nzeb
Rodinný dům vliv energetického systému Ukazatel energetické náročnosti nový RD po 1.1.2015 RD v režimu nzeb U em,r (W/m 2.K) 0,26 0,23 Q fuel,r (kwh) 24 759 22 469 Q npe,r (kwh) 27 800 21 274 (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016
Varianty technických systémů označení vytápění větrání příprava teplé vody plynový kotel, teplovodní nucené větrání se zpětným plynový kotel, zásobníkový Varianta 1 otopná soustava, získáváním tepla ohřev energonositel zemní plyn elektřina zemní plyn tepelné čerpadlo, nucené větrání se zpětným Varianta 2 tepelné čerpadlo teplovodní otopná soustava, získáváním tepla elektřina a energie okolního energonositel elektřina elektřina prostředí Varianta 3 kotel na dřevo s akumulačním zásobníkem nucené větrání se zpětným získáváním tepla kotel na dřevo, nepřímo ohřívaný zásobník TV s elektro dohřevem energonositel kusové dřevo elektřina kusové dřevo, elektřina Varianta 4 Přímotopné vytápění pomocí elektrických topných rohoží, nucené větrání se zpětným získáváním tepla přímoohřívaný elektrický zásobník TV energonositel Elektřina elektřina elektřina Varianta 5 elektrický kotel, teplovodní otopná soustava nucené větrání se zpětným získáváním tepla přímoohřívaný elektrický zásobník TV energonositel elektřina elektřina elektřina
Varianty řešení obálky budovy 55 reálných kombinací obálky budovy
Hodnocení celkové dodané energie do budovy Graf průběhu celkové dodané energie Q fuel v závislosti na obálce budovy a variantě technického systému Třída A
Koupená energie do budovy Graf průběhu celkové dodané koupené energie do budovy v závislosti na obálce Varianta technického systému Podíl dodané energie Úspora varianta 1 - zemní plyn 100% 0% varianta 2 -tepelné čerpadlo 31% 69% varianta 3 - kotel na dřevo 108% -8% varianta 4 - el. přímotopný systém 78% 22% varianta 5 - elektrokotel 88% 12%
Hodnocení neobnovitelné primární energie Porovnání variant technických systémů z pohledu neobnovitelné primární energie Q npe za předpokladu dodržení minimálního legislativního požadavku na obálku budovy
Hodnocení neobnovitelné primární energie Graf průběhu neobnovitelné primární energie Q npe v závislosti na obálce budovy a technickém systému Požadavek na OZE
Jak splnit požadavky na ENB pro elektricky vytápěný objekt? Modifikace varianty 4 přímotopné el. vytápění označení Varianta 4.1 Modifikace varianty 4 elektrické přímotopné vytápění Varianta 4 pouze s elektrickým přímotopným vytápěním, bez doplňkového zdroje tepla Varianta 4.2 Elektrické přímotopné vytápění s doplňkovým zdrojem tepla (využití 15%) Varianta 4.3 Elektrické přímotopné vytápění s doplňkovým zdrojem tepla (využití 15%) a hybridním FV systémem s bateriovým úložištěm Modifikace varianty 5 elektrokotel označení Varianta 5.1 Modifikace varianty 5 elektrický kotel, teplovodní vytápění Varianta 5 pouze s elektrickým kotlem, bez doplňkového zdroje tepla Varianta 5.2 Elektrický kotel s doplňkovým zdrojem tepla (využití 15%) Varianta 5.3 Elektrický kotel s doplňkovým zdrojem tepla (využití 15%) a a FTE systémem pro přípravu TV (roční pokrytí 61 %) s podporou vytápění
Hodnocení celkové dodané energie do budovy Graf průběhu celkové dodané energie Q fuel pro dílčí varianty s využitím elektřiny pro vytápění
Hodnocení neobnovitelné primární energie Graf průběhu neobnovitelné primární energie Q npe pro dílčí varianty s využitím elektřiny pro vytápění
Nutný podíl OZE Konverzní faktory pro npe podle vyhlášky 78/2013 Sb. Typ činnosti Konverzní faktor npe pro referenční budovu (-) Konverzní faktor npe pro hodnocenou budovu (-) Vytápění 1,1 3 Příprava teplé vody 1,1 3 Větrání (provoz VZT jednotky) 3 3 Osvětlení 3 3
Možnosti OZE Termický solární systém pro přípravu teplé vody má využitelné solární pokrytí cca 60-70 %, tzn. kompenzuje pouze 70 % z 3675 kwh/rok pro přípravu TV, tzn. v tomto případě výpočtově 2296 kwh/rok Fotovoltaický systém pro DR lze smysluplně koncipovat pouze s ohledem na využití elektřiny v objektu v kombinaci s bateriovým úložištěm -přímé využití v objektu cca 3000 kwh kwh/rok v závislosti na velikosti FV systému s bateriovým úložištěm (uvažuje se přímé roční využití 3200 kwh z FV systému) Procentuální pokrytí vytápění z krbové vložky závisí na způsobu užívání a potřebě energie na vytápění. V principu se tento podíl může technicky a realisticky pohybovat mezi 15 % - 40 %. (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016
Podíl OZE a podíl krbové vložky Nutný podíl OZE k celkové dodané energii, nebo nutný podíl pokryt potřeby energie na vytápění krbovou vložkou
Podíl OZE a podíl krbové vložky současná novostavba s elektrickým přímotopným vytápěním musí mít minimálně podíl 20 % energie z OZE, nebo krbová vložka musí pokrývat minimálně 33 % potřeby energie na vytápění. nzeb RD musí využívat minimálně 30 % energie z OZE, nebo pokrývat potřebu energie na vytápění ze 49 % z krbové vložky Požadavek na kvalitu obálky nového RD po 1.1.2015 do 1.1. 2020 Požadavek na kvalitu obálky nového RD od 1.1. 2020 Minimální podíl OZE pro nzeb Minimální podíl OZE pro nové budovy do 1.1.2020 Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nzeb Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 1.1.2020-20% - 33% 30% - 49% -
Podíl krbové vložky v případě elektricky vytápěných domů se sníženou spotřebou energie je doplňkový zdroj tepla na dřevní hmotu nedílnou součástí technického systému minimální podíl 49 % pro nzeb je podíl, který je technicky prakticky nereálný
Podíl krbové vložky Minimální podíl krbové vložky potřebě energie na vytápění Systém Elektrické vytápění Elektrické vytápění + fototermický systém Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nzeb Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 1.1.2020 Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nzeb Minimální podíl krbové vložky na vytápění pro nové budovy do 1.1.2020 Požadavek na kvalitu obálky nového RD po 1.1.2015 do 1.1. 2020-33 % - 35 % Požadavek na kvalitu obálky nového RD od 1.1. 2020 (nzeb) 49 % - 40 % -
Případová studie - Bytový dům
Bytový dům Optimalizace stavebně technického řešení bytového domu 104 bytů (1kk 4 kk) byty - 5760 m 2 parking 2200 m 2
Bytový dům variantní řešení Variantní řešení technických systémů (vychází z místních podmínek) označení vytápění větrání příprava teplé vody ostatní Varianta 1 - stávající stav Objektová předávací stanice, teplovodní otopné soustava přirozené Objektová předávací stanice, zásobníkový ohřev nejsou další systémy energonositel CZT - CZT - Varianta 2 Objektová předávací stanice, teplovodní otopné soustava nucené větrání, ZZT = 70% Objektová předávací stanice, zásobníkový ohřev nejsou další systémy energonositel CZT elektřina CZT - Varianta 3 Objektová předávací stanice, teplovodní otopné soustava přirozené Objektová předávací stanice, zásobníkový ohřev termický solární systém pro přípravu TV energonositel CZT - CZT energie okolního prostředí Varianta 4 Objektová předávací stanice, teplovodní otopné soustava nucené větrání, ZZT = 70% Objektová předávací stanice, zásobníkový ohřev termický solární systém pro přípravu TV energonositel CZT elektřina CZT energie okolního prostředí Varianta 5 Tepelné čerpadlo přirozené Tepelné čerpadlo nejsou další systémy energonositel elektřina - elektřina -
Hodnocení ENB Minimální legislativní požadavky (parametry referenční budovy) různé pro varianty s přirozeným větráním (1,3,5) a s řízeným větráním se ZZT (2,4) Ukazatel energetické náročnosti nový BD do 1. 1. 2015 Varianta technických systémů č. 1,3,5 nový BD po 1. 1. 2015 BD v režimu nzeb U em,r (W/m 2.K) 0,42 0,42 0,37 Q fuel,r (kwh) 741 114 741 114 683 970 Q npe,r (kwh) 990 982 891 884 742 591 Varianta technických systémů č. 2,4 U em,r (W/m 2.K) 0,42 0,42 0,37 Q fuel,r (kwh) 668 401 668 401 613 002 Q npe,r (kwh) 952 560 857 304 713 380
Bytový dům zatřídění Qfuel Hranice požadavků ENB a klasifikačních tříd EN platí pouze varianty technických systémů č. 1,3,5. Neplatí pro varianty č. 2,4 vyznačena šedě Hranice požadavků ENB a klasifikačních tříd EN platí pouze varianty technických systémů č. 2,4. Hranice neplatí pro varianty č. 1,3,5 vyznačeny šedě
Bytový dům hodnocení npe Hranice požadavků ENB a klasifikačních tříd EN platí pouze varianty technických systémů č. 1,3,5. Neplatí pro varianty č. 2,4 vyznačena šedě) Hranice požadavků ENB a klasifikačních tříd EN platí pouze variantu technických systémů č. 2,4. Hranice neplatí pro varianty č. 1,3,5 vyznačeny šedě)
Případové studie - administrativní budova (vliv technických systémů)
Budova administrativního charakteru Variantní řešení technických systémů varianta 1 varianta 2 varianta 3 elektřina, energie okolního Zemní plyn, elektřina CZT*, elektřina převažující energonositel prostředí zdroj tepla plynový kotel Předávací stanice tepelné čerpadlo (90%) elektrodohřev (10%) zdroj chladu kompresorový zdroj kompresorový zdroj tepelné čerpadlo příprava teplé vody nepřímo ohřívaný zásobník nepřímo ohřívaný zásobník nepřímo ohřívaný zásobník * Dálkové teplo s nižším než 50% podílem OZE Energonositel Faktor PE Faktor npe Podíl OZE Soustava zásobování teplem s vyšším než 80% podílem OZE 1,1 0,1 81 % Soustava zásobování teplem s vyšším než 50% a nejvýše 80 % podílem OZE 1,1 0,3 72,8 % Soustava zásobování tepelnou energií s 50% a nižším podílem OZE 1,1 1,0 10 %
ADMIN optimalizace Uem Neobnovitelná PE Q np Var 2 CZT + kompresor Var 1 Plynový kotel + kompresor ŘEŠENÍ VAR.3 Var 3 Tepelné čerpadlo ŘEŠENÍ VAR.1 ŘEŠENÍ VAR.2 Průměrný součinitel prostupu tepla Uem
ADMIN kompenzace max Uem dalším OZE Neobnovitelná PE Q np Var 2 CZT + kompresor Požadavek na OZE Var 1 Plynový kotel + kompresor Var 32 Tepelné CZT + kompresor čerpadlo Průměrný součinitel prostupu tepla Uem
Adm potřebný podíl energie z OZE Podíl OZE potřebný pro splnění požadavků Q npe pro nzeb Největší podíl energie z OZE pro splnění požadavků nzeb vyžaduje varianta 3 (TČ). Nejmenší podíl vyžaduje varianta 2 (CZT).. varianta 1 varianta 2 varianta 3 RER 3,6 % 5,8 % 16,8 % podíl OZE potřebný pro splnění nzeb 7,1 % 4,9 % 8,3 %
Případové studie - elektricky vytápěná administrativní budova
Koncepce administrativní budovy v režimu nzeb Energonositele vstupující do budovy: elektřina ze sítě elektřina vyrobená ze slunce Vytápění elektrické přímotopné Příprava TV lokální průtoková Řízené větrání se ZZT Kompresorové chlazení LED osvětlení Hybridní PV systém Optimalizace: - Parametry obálky budovy - Velikost hybridního PV systému
Technické systémy budovy Vytápění budovy zajišťují přímotopné sálavé systémy fy Fenix Group a.s., otopné plochy jsou umístěny přímo v obsluhovaných prostorech a jedná se o kombinaci stropního, podlahového a stěnového vytápění v různých kombinacích. Příprava teplé vody bude zajištěna přímo v místě spotřeby pomocí elektrických zásobníkových ohřívačů.
Technické systémy budovy Chlazení budovy zajišťuje v kombinace s VZT systémem kompresorová chladící jednotka umístěná na střeše objektu. Větrání objektu je zajištěno pomocí centrální VZT jednotky se zpětným získáváním tepla. Hygienické množství čerstvého vzduchu představuje 386 m3/h, maximální průtok větracího přiváděného vzduchu je 1364 m3/h (pozn. vč. cirkulačního vzduchu).
Technické systémy budovy Hybridní FV systém - 7,8 kwp na střeše objektu, 27 kwh úložiště, bateriové úložiště umístněné v technické místnosti, max výkon 15 kw
Legislativní požadavky pro ukazatele ENB Ukazatele ENB požadavky legislativní požadavky pro ukazatele energetické náročnosti nový ADM po 1.1.2015 ADM v režimu nzeb Uem,R 0,37 0,33 Qfuel (kwh) 28117 26419 QnPE (kwh) 59414 56923 Variantní řešení obálky budovy 55 variantních řešení obálky budovy Obvodová stěna Podlaha Střecha Okna Varianta č. U U U U g Uem 35 navrhovaná varianta 0,11 0,24 0,14 0,73 0,63 0,236
Variantní řešení obálky budovy 55 variant kombinací součinitelů prostupu tepla pro stěny, podlahu, střechu, výplně otvorů okna. Vybraná kombinace (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016
nzeb Hodnocení a klasifikace ukazatelů ENB Průběh celkové dodané energie v závislosti na obálce budovy nzeb Budova Klasifikační třída A celkové dodané energie pro všechny varianty obálky budovy
Splnění požadavku nzeb bez OZE není potřeba další podíl OZE nzeb Hodnocení a klasifikace ukazatelů ENB Průběh celkové neobnovitelné primární energie v závislosti na obálce budovy Budova bez FV systému budova využívá 0% energie z OZE, má ale účinné technické systémy Budova nzeb
Podíl OZE a potenciál využití PV Průběh dílčích spotřeb na jednotlivé činnosti (není zahrnuta spotřeba pro spotřebiče cca 3770 kwh) nzeb Referenční budova f npe = 1,1 f npe = 3 f npe = 1,1 f npe = 3 Hodnocená budova f npe = 3 f npe = 3 f npe = 3 f npe = 3
Návrh PV systému Využitelná plocha střechy 102 m 2
Návrh systému PV systém 7,5 kwp Akumulace (baterie 22kWh) Bez akumulace Investice: 1 026 000 Kč Investice: 415 000 Kč
Požadavek splněn i při nejhorším Uem nze B Hodnocení a klasifikace ukazatelů ENB Průběh celkové neobnovitelné primární energie v závislosti na obálce budovy Budova s hybridním FV systémem Budova nze B
Předpokládaná vypočtená Spotřeba energie Vypočtená spotřeba energie Vytápění Chlazení Větrání Příprava teplé vody Osvětlení a uživatelská el.energie Celkem Z toho energie: PV systém Celkem 2682 kwh 3767 kwh 2519 kwh 1551 kwh 2696 kwh 13216 kwh 6773 kwh
Hodnocení energetické náročnosti budovy Minimální legislativní požadavky pro ukazatele energetické náročnosti nových budov po 1.1. 2015 Ukazatel energetické náročnosti Požadavky na ENB po 1. 1. 2015 pro referenční budovu Hodnocená budova Závěr Klasifikační třída U em,r 0,37 0,24 Požadavek splněn B Q fuel,r (kwh) 28117 13 216 Požadavek splněn A Q npe,r (kwh) 59414 19 329 Požadavek splněn A Minimální legislativní požadavky pro ukazatele energetické náročnosti budovy pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie Ukazatel energetické náročnosti Požadavky na ENB po nzeb Hodnocená budova Závěr Klasifikačn í třída U em,r 0,33 0,24 Splněn požadavek pro nzeb B Q fuel,r (kwh) 26419 13 216 Splněn požadavek pro nzeb A Q npe,r (kwh) 56923 19 329 Splněn požadavek pro nzeb A
Hodnocení energetické náročnosti budovy - PENB
Monitoring provozu budovy Analýza provozu budovy z pohledu: spotřeby energie (budou splněny předpoklady uvedené v PENB?), vnitřního prostředí (vazba kvality vnitřního prostředí tepelného komfortu na reálnou spotřebu energie), ovlivnění vnitřního prostředí budovy provozními stavy objektu v důsledku chování budovy podřízeného řízení spotřeby budovy přes hybridní PV systém, Vyhodnocení představuje: I. Provozní nastavení budovy na provozní úroveň přijatelnou pro hodnocení vnitřního prostředí II. III. IV. Komplexní hodnocení vnitřního prostředí budov Vyhodnocení celkové dodané energie do objektu ve smyslu předpokládané provozní energetické náročnosti pro budovu s téměř nulovou spotřebou energie Doporučení opatření vedoucích ke zvýšení předpokládaného požadovaného komfortu
Koncept sledování provozních parametrů budovy parametry vnitřního prostředí provozní energetická náročnost budovy
Měření kvality vnitřního prostředí a provozních parametrů (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016
Koncept systému řízení a monitorování (c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016
Budova
Hybridní FV systém
Závěr Zavedení kvalitativního standardu budova s téměř nulovou spotřebou energie implementuje požadavek Směrnice EPBD II definuje kvalitativní standard s výhledem do 2020 vyžaduje využití vyššího podílu OZE, nicméně dává stavebníkovi možnosti vzhledem k nákladově optimální úrovni zvoleného řešení
(c) Miroslav Urban - setkání EKIS 2016, Jihlava 20.6.2016 Miroslav Urban Miroslav.urban@fsv.cvut.cz Katedra technických zařízení budov Stavební fakulta, ČVUT v Praze http://tzb.fsv.cvut.cz