SANACE PANELOVÉHO DOMU S DŮRAZEM NA SNIŽOVÁNÍ PROVOZNÍ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI PŘÍPADOVÁ STUDIE Martin Vonka 1 1 ČVUT, Fakulta stavební, Katedra pozemních staveb, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Česká republika, martin.vonka@fsv.cvut.cz The main goal of the presented case study is to verify possibilities of reduction of environmental impact of one apartment building in the Czech Republic. It has been chosen a precasted building from the year typically built in this time in the Czech Republic for the presented case study. There were suggested 3 scenarious of the refurbishment in the way of reduction of operating primary energy in the future. Scenario A includes current standard reduction of heat use (heat use after refurbishment is 94.2 kwh/(m 2 a)). In the case of scenario B there was proposed refurbishment to the level of low-energy house (heat use 73.6 kwh/(m 2 a)). Scenario C represents the refurbishment practice from the construction of passive houses (heat use 35.9 kwh/(m 2 a)). 1 Úvod Obecně se odhaduje [1], že budovy ve vyspělých zemích spotřebovávají kolem 40% veškeré energie - s odpovídající produkcí škodlivin (emise CO 2, SO 2, NO x, ). Za stavebním průmyslem a vlastní výstavbou staveb stojí nejen spotřeba primární neobnovitelné energie, ale i čerpání zdrojů surovin (neobnovitelných i obnovitelných), produkce odpadů, spotřeba vody a další. Vyčíslením těchto (a jiných) kritérií v průběhu celého životního cyklu budovy lze stanovit míru poškozování životního prostředí a určit možný potenciál redukce tohoto poškození. Jednou z metod vyvíjených za účelem regulace a snižování dopadů produktů lidské činnosti na životní prostředí je hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment (LCA). Metodika LCA je v obecné rovině (zaměřené na libovolný produkt lidské činnosti) popsána v souboru mezinárodních norem ISO 14040-49 [2]. Vzhledem k rozsahu stavební činnosti a tím i významu environmentálních dopadů způsobených touto činností a jejími produkty (budovami) je pro celkové snižování environmentálních vlivů velmi důležitá aplikace uvedené metodologie do oblasti hodnocení environmentálních dopadů budov v rámci celého životního cyklu. Dosud neexistuje jednotná metoda pro hodnocení životního cyklu výrobků (konstrukcí, staveb apod.). Na základě metodologie definované ve výše zmíněném souboru norem byla vyvinuta celá řada výpočetních modelů a softwarových nástrojů, které se liší cílem a rozsahem analýzy, stanovením rozlišovací úrovně a podrobností systémového modelu - např. lze jmenovat nástroje ATHENA, GEMIS, apod. 2 Případová studie bytového domu 2.1 Panelový dům T06 B Pro přiblížení metodiky LCA je v tomto příspěvku uvedena studie panelového domu T06 B z roku (Obr. 1), základní geometrické a jiné charakteristiky jsou shrnuty v Tab. 1. Bytový dům obsahuje celkem 14 bytů s přibližně 45ti obyvateli.
Obr.1 Analyzovaný panelový objekt T06 B Fig. 1 Analyzed building the construction system T06 B charakteristika m.j. zastavěná plocha m 2 409 užitná plocha m 2 1 465 z toho plocha balkónů a lodžií m 2 47,7 užitná plocha vytápěná m 2 1 065 obestavěný prostor m 3 5 120 obestavěný prostor vytápěný m 3 3 480 Tab.1 Geometrické charakteristiky panelového domu T06 B Tab.1 Geometric characteristics of panel building 2.2 Environmentální parametry objektu Environmentální historie objektu lze shrnout do následujících bodů: (a) v letech 1984- proběhla realizace objektu (stručný popis konstrukcí: základové konstrukce - monolitické betonové pasy, na nich prefabrikované základové prahy, svislé nosné konstrukce - železobetonové panely výšky 2640-2660 mm, tl. 140 mm, vodorovné nosné konstrukce - železobetonové stropní panely tl. 120 mm, světlý rozpon 3460 mm, konstrukce schodiště - prefabrikované dvouramenné schodiště, obvodový plášť - velkoplošné sendvičové panely, vnitřní železobetonová stěna tl. 130 mm + polystyrén tl. 60 mm + venkovní fasádní železobetonová deska tl. 70 mm, střešní konstrukce - střecha plochá, jednoplášťová, hydroizolace asfaltové pásy, otvorové výplně - zdvojená okna, dřevěný rám, příčky - panely z prostého betonu tl. 80 mm, konstrukce podlah - 20 mm polystyrén, 35 mm roznášecí betonová nášlapná vrstva + nulová podlaha (toto souvrství je kompletizováno v nosném stropním panelu), povrchové úpravy - vnější povrch vymývaná teracová omítka, vnitřní úpravy štuková omítka, podružné místnosti pačok cementovým mlékem, vápenný pačok, cementová hlazená omítka, TZB - otopná soustava teplovodní s článkovými radiátory, kotelna na zemní plyn, rozvody zemního plynu ocelové do všech bytů, kanalizace PVC, vodovod PVC), (b) na počátku 90. let se snížila konečná spotřeba energie (energie na vstupu do budovy) o 5% (jako důsledek postupného zvyšování cen energií, zavedení poměrového měření motivace obyvatel šetřit energií, apod.) (c) v roce byly zatepleny štíty (kontaktní zateplení polystyrénem tl. 60 mm a obklad fasádními deskami z plastu). Energetické bilance jednotlivých dosavadních etap životního cyklu jsou shrnuty v Tab. 2.
parametr m.j. realizace 1992 potřeba tepla na vytápění kwh 178 800 171 650 152 770 měrná potřeba tepla na vytápění kwh/(m 2 a) 168 161 144 konečná spotřeba provozní energie kwh 324 980 308 730 285 130 měrná konečná spotřeba provozní energie kwh/(m 2 a) 305 290 268 spotřeba provozní primární energie kwh 552 479 513 367 477 964 měrná spotřeba provozní primární energie kwh/(m 2 a) 519 482 449 Tab. 2 Energetická bilance panelového domu od realizace po současnost Tab. 2 Energy consumption of building (from till present) Konečnou spotřebou provozní energie je míněna celková energie na vstupu do budovy, spotřeba provozní primární energie (z neobnovitelných zdrojů) se získá následovně: množství potřebné primární energie se získá vynásobením konečné energie konverzním faktorem uvažovaným podle Tab. 3 (tzn., že primární energie vyjadřuje kolik energie z neobnovitelných zdrojů se spotřebuje na to, aby se pokrylo potřebné množství energie v místě spotřeby). palivo konverzní faktor zemní plyn 1,5 elektrická energie (mix v ČR) 3,6 pelety, biomasa 0,1 Tab. 3 Konverzní faktory pro jednotlivé druhy paliv použité v této studii - zdroj GEMIS (www.oeko.de) Tab. 3 Conversion factor for the fuels source GEMIS (www.oeko.de) 2.3 Scénáře budoucího vývoje objektu Další vývoj budovy během životního cyklu, který je prakticky špatně předvídatelný, byl v této studii předpokládán ve třech strategiích (zaměřených na snižování energetické náročnosti budovy): Scénář A - tepelně-technická sanace dle současných standardů: kontaktní zateplení zbylých stěn polystyrénem tl. 80 mm, tepelně-technická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (ponechání stávající skladby, zateplení pěnovým polystyrénem tl. 120 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní plastová okna Uw=1,40 W/(m 2 K), rekonstrukce kotelny (nový zdroj na zemní plyn - zvýšení průměrné roční účinnosti přeměny energie na cca 92%), zavedení regulace podle venkovní i vnitřní teploty), Scénář B - tepelně-technická sanace se snahou výrazněji zredukovat spotřebu tepla na vytápění: kontaktní zateplení všech stěn minerálním vláknem tl. 140 mm (stávající zateplení štítů se odstraní), tepelně-technická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (odstranění všech stávajících vrstev a vytvoření nové skladby s minerální vlnou tl. 200 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní dřevěné rámy s izolační vrstvou z pěnového polyuretanu zasklené dvojsklem (výplň vzácným plynem) - Uw=1,0 W/(m 2 K), větrání zůstává přirozené, rekonstrukce kotelny a otopné soustavy (nový zdroj na zemní plyn kondenzační kotle - zvýšení průměrné roční účinnosti přeměny energie na cca 102%), zavedení regulace podle venkovní i vnitřní teploty termoregulační ventily), Scénář C - sanace s využitím praxe z výstavby pasivních domů: (tento scénář však nutně neznamená snížení potřeby tepla na vytápění pod hranici 15 kwh/(m 2 a), předpokládá se i změna systémové hranice objektu v části 1. NP se nachází nevytápěné prostory, které
je nanejvýš vhodné sloučit s vytápěnými prostory např. pro vytvoření kompaktního tvaru budovy a vyhnutí se problémům s tepelnými mosty) - kontaktní zateplení všech stěn minerálním vláknem tl. 220 mm, zateplení detailů navazujících konstrukcí tl. 50 mm (ostění, nadpraží, ), zateplení soklů extrudovaným polystyrénem tl. 120 mm, tepelnětechnická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (odstranění všech stávajících vrstev a vytvoření nové skladby s minerální vlnou tl. 350 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní dřevěné rámy s izolační vrstvou z pěnového polyuretanu zasklené trojsklem (s pokovením + výplň vzácným plynem) - Uw=0,8 W/(m 2 K), zateplení podlahy na terénu (stávající podlahové souvrství bude odstraněno) deskami z minerálních vláken tl. 100 mm, zateplení lodžiových panelů a uzavření lodžiového prostoru předsazenou prosklenou stěnou, odstranění stávajících balkónů a nahrazení zcela oddělenou představěnou konstrukcí (paralamy), instalace mechanického větracího systému s rekuperací tepla, zdroj tepla kotel na biomasu, ½ potřeby TUV kryto solárními kolektory, v domácnostech zavedeny energeticky úsporné spotřebiče (předpokládá se snížení spotřeby elektrické energie o 50%). Energetické bilance jednotlivých navržených scénářů jsou shrnuty v Tab. 4. parametr m.j. scénář A scénář B scénář C potřeba tepla na vytápění kwh 100 334 78 384 38 224 měrná potřeba tepla na vytápění kwh/(m 2 a) 94 74 36 konečná spotřeba provozní energie kwh 195 692 158 556 95 747 měrná konečná spotřeba provozní energie kwh/(m 2 a) 184 149 90 spotřeba provozní primární energie z neobnovitelných zdrojů kwh 343 814 288 111 68 923 měrná spotřeba provozní primární energie z neobnovitelných zdrojů kwh/(m 2 a) 323 271 65 spotřeba provozní primární energie celkem (energie z obnovitelných + neobnovitelných kwh 343 814 288 111 140 235 zdrojů) měrná spotřeba provozní primární energie celkem (energie z obnovitelných + neobnovitelných zdrojů) kwh/(m 2 a) 323 271 132 Tab. 4 Energetické bilance panelového domu dle uvedených scénářů Tab. 4 Energy consumption of building for the scenarios 2.4 Vyčíslení environmentálních dopadů scénářů Pro všechny strategie byl vyčíslen tok materiálů, energie a emisí CO 2 a SO 2 při sanaci (Tab. 5) a dále pak spotřeba, resp. redukce primární energie (svázaná spotřeba energie + provozní energie), emisí CO 2 a SO 2 během životního cyklu graficky je znázorněna pouze spotřeba primární energie (Obr. 2), ostatní parametry (emise CO 2 a SO 2, apod.) jsou vyčísleny v Tab. 6. m.j. původní stav 2004 scénář A scénář B scénář C objem použitých materiálů m 3 1 499 1 513 1 623 1 726 1 939 hmotnost použitých materiálů kg 3 047 276 3 051 999 3 078 376 3 084 839 3 171 247 svázaná spotřeba energie GJ 3 692 3 806 4 717 4 412 4 800 svázané emise CO 2 kg 412 939 417 458 450 037 457 256 491 192 svázané emise SO 2 kg 1 700 1 733 1 946 1 896 2 051 Tab. 5 Absolutní hodnoty environmentálních kritérií Tab. 5 Evaluation of environmental criterions
Pozn.: Na první pohled paradoxní vyšší navýšení svázané spotřeby energie u scénáře A oproti scénáři B je způsobeno použitím expandovaného polystyrenu na zateplení, jehož výroba je více energeticky náročnější, než v případě tepelné izolace z minerálních vláken. primární energie z neobn. zdrojů [TJ] 120 100 80 60 40 20 0 A B C 1990 1995 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Obr. 2 Kumulované hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů energie v průběhu životního cyklu Fig. 2 Primary energy consumption during life cycle (energy from nonrenewable sources) parametr spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů m.j. 2003 rok 2050 - scénář A scénář B scénář C TJ 39,4 98,5 88,8 52,1 emise CO 2 (provozní + svázaná produkce) tuny 1 931 4 520 4 163 2 440 emise SO 2 (provozní + svázaná produkce) tuny 7,7 21,3 21,3 15,7 Tab. 6 Kumulované hodnoty (od roku ) environmentálních parametrů ve vybraných letech Tab. 6 Evaluation of environmental criterions in picked years Z předchozího grafu a tabulky je zřejmá především významná redukce sledovaných hodnot kritérií u scénáře C, např. oproti scénáři A vykazuje redukci spotřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů o 79% (viz Obr. 2). Zajímavým bodem je environmentální návratnost jednotlivých scénářů např. sanace dle scénáře C způsobila navýšení svázané spotřeby energie o 994 GJ, ale naopak snížení spotřeby primární energie o 1216 GJ/rok, tj. návratnost menší než jeden rok (viz Tab. 7). kritérium vztaženo k roku 100% 90% návratnost scénář A scénář B scénář C spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů 1,9 0,9 0,7 emise CO2 1,8 1,6 1,3 emise SO 2 2363 1) 1278 1) 2,6 Tab. 7 Environmentální návratnost Tab. 7 Environmental payback 1) v těchto případech je návratnost velmi dlouhá, a to z důvodu, že sanace těchto dvou scénářů postihuje pouze spotřebu energie na vytápění a přípravu TUV, přičemž energetické médium zemní plyn vykazuje při spalování velmi malé množství emisí SO 2 (blízké nule). Na Obr. 3 lze přehledně odečíst dvojice základních environmentálních parametrů objektu během jednotlivých etap životního cyklu (a) provozní primární energie a svázaná spotřeba energie, (b) provozní emise CO 2 a svázaná produkce CO 2 a (c) provozní emise SO 2 a svázaná produkce SO 2. 53% vztaženo k roku 2004 100% 84% 21%
spotřeba provozní primární energie z neobn. zdrojů [GJ/(m2a)] 2,0 1,5 1,0 0,5 PRIMÁRNÍ ENERGIE 1992 2004-A 2004-B 2004-C 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 svázaná spotřeba energie [GJ/m2] provozní emise CO2 [kg/(m2a)] 80 60 40 20 0 EMISE CO 2 1992 2004-A 2004-B 0 100 200 300 400 500 svázané emise CO2 [kg/m2] 2004-C 0,4 EMISE SO 2 provozní emise SO2 [kg/(m2a)] 0,3 0,2 0,1 1992 2004-A 2004-B 2004-C Obr. 3 Environmentální kritéria objektu během jednotlivých etap životního cyklu (vztaženo na 1 m 2 vytápěné plochy) Fig. 3 Environmental criterions of building during life cycle (related to 1 m 2 of heated floor area) 3 Závěr 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 svázané emise SO2 [kg/m2] Tato studie měla přispět k ukázkám praktického použití metody LCA a zároveň ukázat, že snižování spotřeby provozní primární energie u objektů (nejen pro bydlení) lze dosahovat za relativně malých energetických a materiálových nároků. Cesta ke snižování energetické náročnosti je cestou nejen k nezávislosti na vnějších energetických zdrojích, ale i cestou k udržitelnému rozvoji. 4 Poděkování Výsledky prezentované v příspěvku byly vypracovány za podpory grantu GAČR 103/03/H089 Udržitelná výstavba budov a udržitelný rozvoj sídel. 5 Literatura [1] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, český překlad CIB Report 237, ČVUT v Praze, 2001, ISBN 80-01-02467-9 [2] ČSN EN ISO 14040-14049: Environmentální management Posuzování životního cyklu. Praha, ČNI, 1998-2001
[3] Hájek, P., Tywoniak, J.: Udržitelná výstavba budov, Stavební listy 12-13/2002, odborná příloha [4] Hájek, P. a kolektiv: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj, 4. etapa: Technické vývojové trendy ve výstavbě budov v ČR s ohledem na požadavky udržitelné výstavy závěrečná zpráva, zpráva pro MPO ČR, ČVUT Praha 2003 [5] Hájek, P. a kolektiv: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj, 3. etapa: Ověření principů udržitelné výstavby na dvou demonstračních návrzích bytových staveb závěrečná zpráva, zpráva pro MPO ČR, ČVUT Praha 2002 [6] www.substance.cz informační systém o udržitelné výstavbě