Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích ENS Nízkoenergetické a pasivní stavby Přednáška č. 4 Přednášky: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Cvičení: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Garant: Ing. Michal Kraus, Ph.D. Katedra stavebnictví
Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích ENS Energetická bilance
Princip hodnocení Ukazatele energetické náročnosti budov (dle vyhlášky č. 78/2013 Sb.): Celková primární energie za rok Neobnovitelná primární energie za rok Celková dodaná energie za rok Dílčí dodané energie pro technické systémy vytápění, chlazení, větrání, úpravu vlhkosti vzduchu, přípravu teplé vody a osvětlení za rok Průměrný součinitel prostupu tepla Součinitele prostupu tepla jednotlivých konstrukcí na systémové hranici Účinnost technických systémů Hodnocení měrných ekvivalentních emisí CO 2 době využívá pouze výjimečně. se v současné 3
Primární energie Primární energie je energie, která neprošla žádným procesem přeměny. Celková primární energie je součtem obnovitelné a neobnovitelné primární energie, Primární energie může zahrnovat pouze procesní energii potřebnou na těžbu, dopravu, transformace (energonositel, energy carrier) nebo i další, tzv. svázanou (embodied) energii. Těžba surovin Výroba elektřiny Distribuce Konečná spotřeba 4
Faktor energetické přeměny Faktorem primární energie (energetické přeměny) se rozumí koeficient, kterým se násobí složky dodané energie po jednotlivých energonositelích k získání odpovídajícího množství celkové primární energie. Příklad: Elektrická energie se u nás vyrábí v uhelných elektrárnách s účinností 40 %. Když připočteme energii na pohon velkorypadel, dopravu uhlí, ztráty v elektrickém vedení a podobně, dojdeme k účinnosti výroby něco málo přes 30 %. Faktor energetické přeměny pro elektrickou energii (3,0) pak udává, že na jednotku energie spotřebovanou v budově se muselo odebrat 3,0 jednotek energie z přírody a elektřina proto není zrovna hospodárným zdrojem. 5
Referenční hodnoty faktoru přeměny 6
Bilanční schéma Bilanční schéma přehledně ukazuje základní souvislosti energetických procesů v budově. Celková bilance zahrnuje jak tepelnou ztrátu (prostupem tepla a větráním), tak tepelné zisky (sluneční záření, metabolické teplo, teplo vyzáření z přístrojů, technického zařízení a umělého osvětlení). Bilanční schéma neslouží pro návrh technických systémů, ale pro kvalifikované stanovení energetických potřeb. Technické systémy musí být dimenzovány s dostatečnou rezervou. 7
Bilanční schéma Energetickou bilanci je možné stanovit jak pro okamžité hodnoty, tak pro časové období den, měsíc nebo otopnou sezónu. Pro zjednodušení uvažujeme jednu zónu. Zóna je ohraničena na své systémové hranici. V odůvodněných případech se chráněný prostor dělí na více zón s výrazně odlišnými vnitřními teplotami nebo odlišným provozním režimem. Energetické toky v budově jsou vzájemně provázané. Tepelný tok jedné zóny, pro kterou znamená ztrátu, je tepelným ziskem pro zónu přiléhajících. 8
Bilanční schéma Obálkou budovy se rozumí všechny konstrukce na systémové hranici budovy, které jsou vystaveny venkovnímu prostředí. Systémová hranice budovy se uvažuje v souladu s ČSN EN ISO 13790 jako hranice vytápěného prostoru. Systémová hranice budovy je hranice tvořená vnějším povrchem konstrukcí, které ohraničují vytápěnou zónu. U dvouplášťových větraných konstrukcí se za vnější hranu konstrukce považuje vnější povrch vnitřního pláště. 9
Bilanční schéma 10
Bilanční schéma Schéma chráněného prostoru a systémové hranice budovy 11
Bilanční schéma Příklad dvoufázové budovy. Výrobní hala a administrativní část s velmi odlišnými provozními režimy (teplota, doba vytápění) a společnou dělící stěnou jsou spojeny jednou otopnou soustavou. 12
Bilanční schéma Základní energetické bilanční schéma budovy podle ČSN EN ISO 13 790. 13
Bilanční schéma Rozšířené bilanční schéma budovy s vlivem napojení na elektrickou síť 14
Bilanční schéma Schéma pro volbu výpočtového postupu energetické bilance 15
Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích ENS Kategorizace budov
Energeticky efektivní výstavba Energeticky efektivní výstavba se vyznačuje nižší energetickou náročností ve srovnání s výstavbou 20. a 21. století splňující normové požadavky. Základní principy energeticky efektivních budov Teplo, které z budovy neunikne, není potřeba doplňovat. Malé množství tepla obsažené ve vzduchu, které z budovy uniká, lze efektivně zhodnotit ve svůj prospěch. Představuje stavební a technické řešení redukující energetickou potřebu tepla na vytápění, chlazení, přípravu teplé vody a elektrickou energii na provoz technických systémů a elektrických spotřebičů 17
Historie nízkoenergetických budov Řešení využívající solární energii pronikající do budovy pomocí vhodně orientovaných prosklených ploch s následně sofistikovanou akumulací tepla. Minimalizace potřeby tepla na vytápění díky výrazně zlepšeným vlastnostem obvodových konstrukcí a zpětnému získávání tepla z odpadního vzduchu. Po ověření výsledků v praxi v průběhu 80. let 20. století byl vytvořen a představen princip pasivního domu s ambiciózními cíli: Návrh domu, na jehož vytápění by spolu s vnitřními zisky (osoby, spotřebičů) a pasivními solárními zisky okny postačilo jen takové množství vzduchu, které je nutné tak jako tak přivádět z hygienických důvodů. 18
Historie nízkoenergetických budov Koncepce pasivního domu byla již navrhnuta v roce 1988 německým fyzikem prof. Dr. Wolfangem Feistem. První pasivní dům byly realizovány v roce 1990 1991. Po ověření funkčnosti byl v roce 1996 založen Institut pasivních domů v Darmstadtu (Passivhaus Institut Darmstadt PHI) Vývoj požadavků a certifikace pasivních domů. Koncept pasivního domu byl od roku 1998 financován prostřednictvím mezinárodního projektu CEPHEUS (Cost Effective Passive Houses in European Standard). Výsledkem mezinárodního projektu byla výstavba 250 staveb v pasivním standardu. Od roku 2000 je patrný rozvoj nízkoenergetické a pasivní výstavby (obzvláště v německy mluvících zemích) 19
Energeticky efektivní výstavba Domy běžné ve 70.-80. letech Charakteristika zastaralá otopné soustava, zdroj tepla je velkým zdrojem emisí; větrá se pouhým otevřením oken, nezateplené, špatně izolující konstrukce, přetápí se Potřeba tepla na vytápění > 200 Současná novostavba klasické vytápění pomocí plynového kotle o vysokém výkonu, větrání otevřením okna, konstrukce na úrovni požadavků normy 80-140 Nízkoenergetický dům otopná soustava o nižším výkonu, využití obnovitelných zdrojů, dobře zateplené konstrukce, řízené větrání < 50 Pasivní dům řízené větrání s rekuperací tepla, vynikající parametry tepelné izolace, velmi těsné konstrukce < 15 Nulový dům, dům s přebytkem tepla parametry min. na úrovni pasivního domu, velká plocha fotovoltaických panelů < 5 20
Energeticky efektivní výstavba Kategorie budov dle roční měrné potřeby tepla na vytápění Budovy s velmi nízkou energetickou náročností mají měrnou potřebu tepla na vytápění výrazně nižší, než je odpovídající závazný požadavek aktuální požadavek. Množství tepla za rok (per annum a ) stanoveného výpočtem a vztažené na 1 m 2 plochy vytápěné budovy. 21
Nízkoenergetické budovy Nejznámějším představitelem jsou Nízkoenergetické domy (NED) Za nízkoenergetické budovy jsou považovány budovy, jejíž potřeba tepla na vytápění je výrazně nižší než je aktuální normový požadavek. Měrná potřeba tepla na vytápění menší než 50 kwh(m 2 a] Nízké potřeby tepla na vytápění je dosaženo stavebním řešením. Zároveň se požaduje, aby hodnota měla účinnou otopnou soustavu. V 90. letech 20. století se v některých zemích běžně udávala mezní hodnota 70 kwh(m 2 a] V budoucnu se dá předpokládat zpřísnění hodnoty (popřípadě termín nízkoenergetický dům úplně vymizí) 22
Pasivní domy Termín pasivní dům (převzat z německého Passivhaus ) je mezinárodně uznávaným standardem budovy s velmi nízkou spotřebou energie. Výhody pasivních domů: Vyšší komfort života Extrémně nízké náklady na vytápění Stálý přívod čerstvého vzduchu Absence průvanu Vysoká tepelná pohoda vnitřního prostředí Příjemné teploty v zimě i v létě 23
Pasivní budovy Pasivní budovy jsou charakteristické: Minimalizovanou potřebou energie na zajištění požadovaného stavu vnitřního prostředí Minimalizovanou potřebou primární energie z neobnovitelných zdrojů K dosažené pasivního standardu nestačí optimalizované stavební řešení Obecná definice pasivního domu dle tvůrce konceptu: Budova, kde může být tepelný komfort zajištěn výlučně pomocí dohřevu nebo chlazení čerstvého větracího vzduchu, aniž by k tomu muselo být užito vzduchu cirkulačního. 24
Pasivní budovy Pasivními domy jsou označovány budovy s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 15 kwh/(m 2 a) Nejedná se ovšem o jediný požadavek, jak je velmi často prezentováno!!! Povinně hodnocenou vlastností je celková průvzdušnost obálky budovy podle ČSN EN 13829, TNI 73 0329 a TNI 73 0330. Celková intenzita výměny vzduchu n 50 při tlakovém rozdílu 50 Pa nesmí překročit hodnotu n 50 = 0,6 h -1. Celkové množství primární energie spojené s provozem budovy (vytápění, ohřev TV a elektrická energie pro spotřebiče) překročit normovou hodnotu (120 kwh/(m 2 a)). 25
Základní vlastnosti pasivních budov 26
Základní vlastnosti pasivních budov Přehled energetických potřeb zahrnutých do hodnocení primární energie pasivních budov (hodnotí se položky označené X): 27
Pasivní domy Všechny prvky pasivního domu vytvářejí dokonalý a efektivní systém. 28
Pasivní budovy Metody výpočtového hodnocení i certifikace pasivních domů zpracoval a stále reviduje Passivhaus Institut v Darmstadtu. Plánovací nástroj pro výpočet energetické bilance u pasivních domů: PASSIVE HOUSE PLANING PACKAGE (PHPP) Výpočet součinitelů U stavebních prvků s velkou mírou tepelné izolace Výpočet energetické bilance (klimatické data pro ČR) Návrh řízeného větrání Výpočet topné zátěže Výpočet letního případu četnost přehřívání a mnoho dalších užitečných nástrojů pro spolehlivý návrh pasivních domů 29
Základní vlastnosti pasivních budov Základní vlastnosti pasivního domu pro certifikace dle PHPP 30
Základní vlastnosti pasivních budov Ukázka programu PHPP (strukturovaný dokument excel) 31
Základní vlastnosti pasivních budov Ukázka programu PHPP (strukturovaný dokument excel) 32
Energeticky nulové budovy Dle ČSN 73 0540 2 (2011) se jedná pouze o předběžné informace. S ohledem na současný vývoj se očekává upřesnění hodnocení. Hodnocení vychází z roční bilance energetických potřeb a energetické produkce v budově a jejím okolím vyjádřené v hodnotách primární energie. Předpokládá se, že budova je připojena k energetickým sítím. Je výhodné, aby stavební a technické zařízení budov bylo navrženo tak, aby odpovídalo pasivnímu standardu. Ve prospěch hodnocení budovy je možné dále zahrnout produkci elektrické energie z obnovitelných zdrojů umístěných na dalších blízkých stavebních objektech, pokud taková produkce již nebyla zahrnuta ve prospěch jiné budovy. 33
Energeticky nulové budovy Základní úrovně hodnocení: Úroveň A Do energetických potřeb budovy se zahrne potřeba tepla na vytápění, potřeba energie na chlazení, energie na přípravu teplé vody, pomocná elektrická energie na provoz energetických systémů budovy, elektrická energie na umělé osvětlení a elektrické spotřebiče. Úroveň B Jako A, ale bez zahrnutí elektrické energie na elektrické spotřebiče. 34
Energeticky nulové budovy Přehled energetických potřeb zahrnutých do hodnocení primární energie nulové budovy (hodnotí se položky označené X): 35
Energeticky nulové budovy Základní požadavky na energeticky nulové budovy: 36
Klasifikace dle TNI 73 0329 a 73 0330 TNI 73 0329 Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění Rodinné domy TNI 73 0320 Zjednodušené výpočtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění Bytové domy Technická informace (TNI) se zabývá hodnocením objektů s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění, zejména pro potřeby jejich klasifikace. Hodnotí se soubor veličin a skutečností podle tabulky Jako energeticky pasivní rodinný dům se označuje dům, který splňuje požadavky č.1a, 1b, 2, 3, 4, 5, 6, 7 a současně má hodnotu měrné potřeby tepla na vytápění nejvýše 20 kwh/(m 2 a). Jako nízkoenergetický rodinný dům se označuje dům, který splňuje požadavky č.2 a č.5 podle tabulky 9 a současně má hodnotu měrné potřeby tepla na vytápění nejvýše 50 kwh/(m 2 a). Požadavky 1a, 1b, 3 a 4 jsou doporučené. Požadavek 7 se nehodnotí. 37
Hodnocení dle TNI 73 0329 38
Hodnocení dle TNI 73 0329 39
Hodnocení dle TNI 73 0329 40
PHPP versus TNI 73 3029 (30) Rozdíly ve výpočtech: TNI byla zpracována pro ČR tak, aby byl jednotný způsob hodnocení pasivních domů, aby byla možná jejich opakovatelnost. Vychází z požadavků Passiv institutu, ale výpočty upravuje. PHPP vychází z filozofie, že pokud má být pasivní dům realizovatelný, neměl by se příliš cenově lišit od normálního domu. Proto uvažovali teplovzdušné vytápění, které zároveň slouží pro rekuperaci tepla při větrání. Aby byly splněny hygienické podmínky, došli autoři k názoru, že maximálně jsou do objektu teplým vzduchem schopni dodat 15 kwh/m 2. 41
PHPP versus TNI 73 3029 (30) TNI uvažuje s jednotnými klimatickými daty pro celou ČR TNI uvažuje jinak vytápěnou plochu (celková x podlahová plocha místností) TNI požaduje max. 20 kwh/(m 2.a) (PHPP 15kWh/(m 2.a)) TNI požaduje pouze 60 kwh/(m 2.a) primární energie (PHPP 120 kwh/(m 2.a)) Dle TNI se uvažuje souč. tepelné vodivosti výpočtový (PHPP deklarovaný) Dle PHPP lze lépe navrhovat Dle TNI lze získat dotace Výpočet pro potřeby dotačního programu Nová Zelená Úsporám se provádí měsíční metodou podle vyhlášky 78/2013 s použitím okrajových podmínek dle TNI 73 0331 42
Budovy nové generace Energeticky úsporné budovy nové generace Energeticky nulové budovy Energeticky pozitivní budovy Budovy jako součást energeticky nulové nebo energeticky pozitivní části města (čtvrti) Budovy se zvýšenou energetickou soběstačností Budovy energeticky nezávislé Vhodné kombinace předchozích budov Při hodnocení je brána pasivní budova jako referenční. Dále uvedené informace jsou pouze předběžné a jsou tématem diskuzí. 43
Budovy nové generace Energeticky nulová budova Základní popis Individuální stavební řešení Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Některé zahraniční zdroje uvádí požadovanou hodnotu 5 Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] 0 pro všechny budovy, bilance zahrnuje vytápění, chlazení, větrání, příprava TV, umělé osvětlení, pomocná energie 44
Budovy nové generace Budova blízká budově energeticky nulové Základní popis Individuální stavební řešení Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] 30 pro obytné budovy, 90 pro neobytné budovy, bilance zahrnuje vytápění, chlazení, větrání, příprava TV, umělé osvětlení, pomocná energie 45
Budovy nové generace Budova pozitivní budova Základní popis Individuální stavební řešení Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] 0 pro všechny pro obytné budovy a současně do bilance zahrnutá produkce převyšuje energetickou potřebu alespoň o 10 %. 46
Budovy nové generace Příklad aktivního domu SurPLUSHome Dům vyrobí dvojnásobek energie co spotřebuje Team Germany (Technische Universität Darmstadt) 47
Budovy nové generace Příklad aktivního domu v Rakousku Maximální využití jižní osluněné fasády 48
Budovy nové generace Úsporná budova v nulovém souboru budov Základní popis Individuální stavební řešení v kontextu s okolím Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] Požadavek jako pro pasivní budovy a současně společný bilanční výpočet souboru budov a produkce je nulový (nebo lepší). 49
Budovy nové generace Budova se zvýšenou energetickou nezávislostí Základní popis Individuální stavební řešení Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] Požadavek pro pasivní budovu a lepší Další Dodávaná energie není nulová v každém okamžiku. Budova je za výpočtových provozních podmínek schopna provozu alespoň krátkodobě nezávisle na dodávkách energie z vnějšku. Délka takového časového úseku musí být definována. 50
Budovy nové generace Budova energeticky nezávislá (soběstačná) Základní popis Individuální stavební řešení Průměrný součinitel prostupu obálky budovy [W/(m 2 K] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a] Požadavek stejný jako pro pasivní budovu ( 15), nejvýše o 20 % vyšší, pokud odborně zdůvodněně nejde lepší hodnoty dosáhnout Měrná spotřeba primární energie [kwh/(m 2 a] Požadavek pro pasivní budovu a lepší ( budovy, 120 pro neobytné budovy) 60 pro obytné Další Dodávaná energie je nulová v každém okamžiku. Budova je za výpočtových provozních podmínek schopna provozu dlouhodobě nezávisle na dodávkách energie z vnějšku. 51
Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích ENS Autonomní domy
Autonomní domy Zejména s rozvojem techniky prudce narůstá naše závislost na ní. Hrozba Black Outu (výrazný výpadek proudu, který přeruší zásobování rozsáhlého území elektrickou energií) je noční můrou nejen energetiků. Krize, přírodní katastrofy, války, závislost na distributorech, skokové zvyšování cen energií, to jsou všechno důvody, které lidi vede ke snaze o vlastní nezávislost. Nezávislost na společnosti (Cohousing neboli ekovesnice) je nový způsob bydlení, který klade důraz na hlouběji prožívané mezilidské vztahy a současně zachovává a podporuje osobní nezávislost. Snaží se zachovat to nejlepší, co nabízel život v tradičních provázaných vesnických společenstvích a přenést to do 21. století. 53
Autonomní domy Koncepce autonomního domu Koncepce autonomního domu by měla vycházet z principů pasivního domu domu s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění. Tato koncepce by měla být doplněna o autonomní řešení vodního a energetického hospodářství 54
Autonomní domy Hospodaření s elektrickou energií Velkou budoucnost mají malé instalace fotovoltaických panelů jako součást rodinných domů. Pro běžný dům v pasivním standardu stačí výkon 3-6kWp, to obnáší plochu do 40m 2, tedy plochu která se dá dobře umístit na dům. Dosažení autonomního ostrovního provozu ale vyžaduje dovybavení o akumulací v bateriích a zálohovací agregát. Tyto komponenty značně zdražují instalaci, proto je výhodnější připojení na síť, která pak funguje jako záložní zdroj. Alternativně je možno prodávat přebytky. 55
Autonomní domy Vytápění autonomních domů U autonomních domů je nejvhodnější použití k vytápění zdroje na biomasu krbových kamen a krbů s případným výměníkem na ohřev teplé vody. Z hlediska autonomie je výhodnější použití kamen na kusové dřevo. Kamna na pelety vyžadují na svůj provoz připojení na elektrickou energii. 56
Autonomní domy Vytápění autonomních domů Velmi zajímavým vytápěním jsou kamna Indigirka na pevné palivo kombinovaná se sporákem, které mají navíc vestavěný generátor přeměňující tepelnou energii na elektrickou. Během normálního provozu, kdy vytápíte či vaříte jídlo, tak kamna produkují stejnosměrné napětí 12 voltů o výkonu nejméně 50 wattů. Při použití více generátorů by bylo možné takto dobíjet baterie v zimním období. 57
Autonomní domy Hospodaření s vodou Základem samostatnosti je studna na pitnou vodu. Využívá se i dešťová voda se zachytáváním v retenční nádrži, jak zpětně pro dům jako užitková voda, tak jako voda pro závlahu. Je možno využívat i šedé vody po přečištění jako užitkovou vodu. Černá voda u autonomních domů je čištěna obvykle kořenovou čistírnou. 58
Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích Děkuji za pozornost Ing. Michal Kraus, Ph.D. info@krausmichal.cz Dotazy či připomínky: michal.kraus@vsb.cz ENS 59