Perspektivy dalšího výzkumu Další výzkum jednoznačně směřuje k navázání navržených modelů produkce FV zdrojů na odběrovou křivku spotřeby elektrické energie v budovách, v limitním případě pak k tvorbě a rozvoji koncepce tzv. energeticky nulových budov. Možný přístup k návrhu FV zdrojů pro obytné budovy ke krytí části jejich spotřeby představované uživatelskou a pomocnou elektrickou energií je představen na následujících stránkách. Obytné budovy mohou spotřebovávat elektrickou energii (zkratkou EE) na vytápění, ohřev teplé vody, provoz domovních technologií, domácích elektrospotřebičů a umělého osvětlení. Zatímco u vytápění a ohřevu teplé vody jsou k dispozici i jiné, často ekonomičtější a environmentálně šetrnější energonositele, u zbývajících kategorií je elektřina nezastupitelná. Ke spotřebě uživatelské elektrické energie domácností se lze dobrat dvěma způsoby: (1) výpočtem na základě odhadu vybavenosti domácnosti elektrickými spotřebiči, jejich příkonu a doby provozu; (2) ze statistických zjišťování. Jedná se vlastně o přístup zdola a shora. Dále bude využit zejména způsob druhý, tedy statistický. Statistická zjišťování v této oblasti jsou zaměřená zejména na roční hodnoty spotřeby uživatelské EE domácností v kwh/rok a na jejich vybavenost elektrickými spotřebiči. Podrobnější průzkumy dále uvádějí rozklad roční spotřeby pro jednotlivé spotřebiče nebo jejich skupiny dle účelu (chlazení potravin, osvětlení, praní, vaření atd.). Tyto výstupy jsou prezentovány jako průměry zjišťovaných souborů. Kromě hodnot spotřeby jsou nedílnou součástí statistických zjišťování také základní ukazatele popisující domácnost či bytovou jednotku, klíčové jsou zejména údaje o počtu členů domácnosti a podlahové ploše bytových jednotek. Tyto údaje jsou však často neúplné. Souhrn základních parametrů bytových jednotek (RD či byt, dále b.j.) a jejich spotřeby uživatelské EE E u [kwh/rok] uvádí Tabulka 1 až Tabulka 3. Jedná se o výsledky vlastního podrobného rozboru statistických zjišťování ČSÚ (2003, 2005 a 2011), výstupů z projektu REMODECE (2008) a hodnot ze zprávy JRC-IES (2007). Užitkovou plochou A u [m 2 ] se dle ČSÚ rozumí plocha všech obytných a vedlejších místností a plocha příslušenství bytu, nezapočítává se plocha nebytových prostor. Tabulka 1: Přehled statisticky zjištěných spotřeb uživatelské EE českých a evropských domácností. Zdroj ČSÚ Energo (2005) REMODECE (2008) JRC-IES (2007) období zjišťování 2003-2004 2006-2008 2003-2004 lokalizace ČR Evropa ČR EU-15 NMS12+HR spotřeba, E u [kwh/rok] 2 015 (odhad z rozboru) 2 695 2 124 3 028 1 898 počet členů domácnosti, n [os] 2,8-2,73 - - Tabulka 2: Přehled užitkových ploch b.j. a počtu členů českých domácností. Na základě rozboru statistických zjišťování ČSÚ (2003, 2005 a 2011). Rok publikování 2003 2005 2011 průměr Typ budovy / lokalita byty RD celk. město venkov celk. byty RD celk. z celk. užitková plocha, A u [m 2 ] 56,0 103,7 76,4 106,1 136,9 113,3 67,9 147,5 108,4 99,4 počet členů domácnosti, n [os] 2,47 2,86 2,64 2,7 3,0 2,8 - - - 2,72 183
Tabulka 3: Roční spotřeba EE hlavních elektrospotřebičů nebo jejich skupin a vybavenost průměrné domácnosti dle projektu REMODECE (2008) a zjišťování ČSÚ Energo (2005). Spotřebič Roční spotřeba evropské domácnosti Vybavenost evropské domácnosti Vybavenost české domácnosti dle ČSÚ Energo E app [kwh/rok] f [-] f [-] vaření (sporák, trouba apod.) 404 0,74 0,60 myčka nádobí 234 0,61 0,13 pračka 184 0,94 0,88 sušička 347 0,32 0,02 osvětlení 487 1,00 1,00 lednička 430 1,14 0,99 mraznička 543 0,50 0,40 spotřební elektronika 776 0,68 0,50 ostatní 100 0,29 0,25 Z údajů publikovaných v rámci projektu REMODECE (2008) pro Českou republiku lze dále odvodit roční spotřebu uživatelské EE dle počtu obyvatel domácností (Graf 1). 6 000 5 000 spotřeba [kwh/rok] 4 000 3 000 2 000 1 000 1010 1783 2398 2758 2056 měrná spotřeba [kwh/(os rok)] 0 2 100 1 800 1 500 1 200 900 600 300 0 1010 891 799 689 411 1 2 3 4 5 počet obyvatel b.j. [os] Graf 1: Průměrná celková (nahoře) a měrná (dole) spotřeba uživatelské EE domácností dle počtu členů. Pouze domácnosti bez využití EE pro vytápění a ohřev TV. Z analýzy dat projektu REMODECE (2008) pro ČR. Na základě dostupných údajů můžeme definovat průměrnou českou a evropskou domácnost (Tabulka 4). Užitkovou plochu a počet členů domácnosti budeme uvažovat jednotně ve výši 100 m 2 a 2,7 osob. Roční spotřebu uživatelské EE budeme uvažovat dle projektu REMODECE. 184
Tabulka 4: Ukazatele průměrné domácnosti na základě rozboru statistických zjišťování. Ukazatel Hodnota počet členů domácnosti, n [os] 2,7 užitková plocha b.j., A u [m 2 ] 100 spotřeba uživatelské EE, E u [kwh/rok] průměrná česká domácnost 2 124 průměrná evropská domácnost 2 695 Předchozí hodnoty z podrobného rozboru statistických údajů dále využijeme k sestavení modelu pro výpočet roční spotřeby uživatelské EE domácností. Základní strukturu modelu převezmeme z modelu publikovaného Hensem (2011). Tento, rovněž statisticky, odvozený model má vyhovující strukturu, protože rozlišuje jednotlivé spotřebiče, zohledňuje počet členů domácnosti a jejich přítomnost i velikost bytové jednotky. Nicméně roční spotřeba spočtená dle Hensova modelu pro parametry průměrné české a evropské domácnosti výrazně převyšuje výše uvedené statisticky zjištěné hodnoty. Proto byla provedena kalibrace a částečná úprava Hensova modelu. Roční spotřebu EE jednotlivých spotřebičů a umělého osvětlení E app [kwh/rok] lze na základě upraveného Hensova modelu vypočítat jako app b e, p e, V E E n pe V 400 E [kwh rok] (1) kde E b [kwh/rok] je základní hodnota spotřeby, n [os] je počet členů domácnosti, p [-] je průměrná přítomnost členů domácnosti, E e,p [kwh/rok] je opravný člen na přítomné osoby, V [m 3 ] je obestavěný objem b.j. stanovený z celkových vnějších rozměrů a E e,v [kwh/rok] je opravný člen na obestavěný objem. Vstupní hodnoty kalibrovan0ho modelu uvádí Tabulka 5. Hodnota 400 m 3 zastupuje referenční obestavěný objem průměrné b.j. (Tabulka 4). Při nedostatku bližších údajů lze pro přítomnost p a objem V uvažovat Au p 0,7 [-] a V 3, 2 0,8 3 [m ] (2) kde A u [m 2 ] je užitková plocha b.j. Přítomnost ve výši 70 % času lze interpretovat následovně: (1) v pracovní dny jsou osoby průměrně přítomné přibližně 16 hodin denně a (2) během víkendů jsou osoby průměrně přítomné přibližně 20 hodin denně. Tato hodnota se používá i při zjednodušeném hodnocení energetické spotřeby obytných budov dle TNI 73 0329, resp. TNI 73 0330. Tabulka 5: Vstupní hodnoty pro výpočet roční spotřeby EE jednotlivých elektrospotřebičů a umělého osvětlení domácnosti. Na základě kalibrace Hensova modelu. Spotřebič Základní hodnota na přítomné osoby Opravný člen na obestavěný objem E b [kwh/rok] E e,p [kwh/(os rok)] E e,v [kwh/(m 3 rok)] vaření 280 66 0,034 myčka nádobí 161 39 0,013 pračka 119 34 0,012 sušička 279 36 0,019 osvětlení 322 87 0,317 lednička 270 85 0,060 mraznička 333 111 0,050 spotřební elektronika 476 159 1,587 ostatní 100 0 0,323 185
Výpočetní model je nutné doplnit ještě posledním parametrem, kterým je vybavenost domácnosti jednotlivými spotřebiči f [-]. Celková roční spotřeba uživatelské EE domácnosti je potom dána jako u app [kwh rok] (3) E f E V dalším postupu provedeme validaci sestaveného modelu, a to ve dvou krocích: 1) Nejprve ověříme, že model dokáže předpovědět spotřebu průměrné evropské a české domácnosti (Tabulka 4) a rozdělení této spotřeby v hlavních kategoriích dle účelu (Tabulka 3). 2) V dalším kroku ověříme schopnost modelu zohlednit počet členů domácnosti srovnáním s údaji z projektu REMODECE pro ČR (Graf 1). Výsledky validačního výpočtu dle kroku 1) uvádí Tabulka 6 a Tabulka 7. Je zřejmé, že kalibrovaný Hensův model je schopný reprodukovat roční spotřebu uživatelské EE průměrné evropské i české domácnosti v závislosti na její vybavenosti elektrospotřebiči. Rovněž výpočtové rozdělení spotřeby do hlavních kategorií dle účelu odpovídá statistickým hodnotám. Tabulka 6: Srovnání statisticky zjištěných a vypočtených hodnot roční spotřeby uživatelské EE průměrné evropské a české domácnosti, v kwh/rok. Parametr evropská domácnost pro ČR česká domácnost dle ČSÚ Energo statisticky zjištěná spotřeba 2 695 2 124 2 015 vybavenost spotřebiči ve výpočtu dle ČSÚ Energo vypočtená spotřeba 2 637 2 073 relativní odchylka - 2,2 % - 2,4 % + 2,9 % Tabulka 7: Srovnání statisticky zjištěných a vypočtených hodnot roční spotřeby uživatelské EE průměrné evropské domácnosti v hlavních kategoriích dle účelu. Účel spotřeby statisticky zjištěná spotřeba (evropská domác.) vypočtená spotřeba (evropská domácnost) kwh/rok % kwh/rok % vaření a mytí nádobí 440 16 441 17 praní a sušení 284 11 284 11 umělé osvětlení 487 18 487 18 chlazení / mražení potravin 758 28 762 29 spotřební elektronika 598 22 532 20 ostatní 128 5 132 5 Celkem 2 695 100 2 637 100 V druhém kroku ověříme schopnost modelu reagovat na změnu počtu členů domácnosti srovnáním se statistickými údaji z projektu REMODECE pro ČR (Graf 1). Protože užitkovou plochu b.j. projekt REMODECE neuvádí, odhadneme ji v závislosti na počtu členů pomocí empirického vztahu (4) odvozeného rozborem statistických údajů ze zjišťování ČSÚ (2003). Za průměrnou užitkovou plochu A u,av dosadíme 100 m 2 (užitková plocha průměrné b.j.). Au Au, av0, 772n 0,315 2 [m ] (4) 186
Odpovídající vybavenost domácnosti spotřebiči projekt REMODECE pro ČR neuvádí. Budeme proto uvažovat dva případy: (1) vybavenost z šetření ČSÚ Energo (česká domácnost) a (2) vybavenost stanovenou jako průměr z šetření ČSÚ Energo (česká domácnost) a projektu REMODECE (evropská domácnost). Výsledky druhého validačního kroku uvádí Tabulka 8. Je patrné, že výpočetní model oproti statistice nadhodnocuje spotřebu u 1 členné domácnosti. Důvodem může být nižší vybavenost 1 členných domácností spotřebiči, jako jsou myčky nádobí, sušičky nebo mrazničky. Provedeme-li variantní výpočet pro 1 člennou domácnost, kdy nebudeme uvažovat myčku nádobí, sušičku a mrazničku (jinak necháme vybavenost odpovídající průměrné české domácnosti), a snížíme-li užitkovou plochu b.j. na 55 m 2, obdržíme roční spotřebu uživatelské EE ve výši 1 125 kwh/rok. U vícečlenných domácností jsou statisticky zjištěné a vypočtené spotřeby v dobrém souladu. Tabulka 8: : Srovnání statisticky zjištěných a vypočtených hodnot roční spotřeby uživatelské EE české domácnosti v závislosti na počtu členů. Počet členů domácnosti n [os] Užitková plocha dle ZobrazitTe Statisticky zjištěná spotřeba pro ČR Vybavenost elektrospotřebiči ve výpočtu pro českou domácnost spotřeba relativní odchylka průměr pro českou a evropskou domácnost spotřeba relativní odchylka A u [m 2 ] E u [kwh/rok] E u [kwh/rok] - E u [kwh/rok] - 1 77 1 010 1 463 +44,9% 1 669 +65,2% 2 96 1 783 1 858 +4,2% 2 113 +18,5% 3 109 2 398 2 215-7,6% 2 514 +4,8% 4 119 2 758 2 554-7,4% 2 895 +5,0% Vážený průměr 1) 104 2 125 2 090-1,7% 2 373 +11,7% 1 ) Vážený průměr je počítán na základě četností ve statistickém souboru REMODECE pro ČR. Ke spotřebě uživatelské EE lze připočítat pomocnou EE. Tou je myšlena elektřina na provoz domovních technologií, tedy otopné a větrací soustavy a soustavy přípravy teplé vody (zejména čerpadla, ventilátory, regulační prvky apod.). Celková roční spotřeba pomocné EE b.j. E aux [kwh/rok] je součtem příspěvku všech domovních technologií. Pro její výpočet je navržen vztah Eb Eaux Eb 0,1 ( V 400) [kwh rok] (5) 100 kde E b [kwh/rok] je základní hodnota spotřeby jednotlivých technologií (viz Tabulka 9 a Tabulka 10) a V [m 3 ] je obestavěný objem b.j. stanovený z celkových vnějších rozměrů. Rovnice (5) má strukturu obdobnou jako (1), závislost na počtu a přítomnosti členů domácnosti zde však zjednodušeně odpadá. Tabulka 9: Základní hodnoty roční spotřeby pomocné EE na provoz domovních technologií v rodinných domech. Dle TNI 730329 (2009). Domovní technologie Základní hodnota spotřeby pomocné EE E b [kwh/rok] Teplovodní vytápění, přirozené větrání 100 Teplovodní vytápění, nucené větrání s rekuperací tepla 400 Teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla 800 187
Tabulka 10: Základní hodnoty roční spotřeby pomocné EE na provoz domovních technologií v bytových domech. Dle TNI 730330 (2010). Domovní technologie Teplovodní vytápění Základní hodnota spotřeby pomocné EE E b [kwh/rok] Decentrální, zdroj tepla v bytě 100 Centrální zdroj tepla v budově 50 Nucené větrání, teplovzdušné vytápění Decentrální nucené větrání s rekuperací (vzduchotechnické jednotky v bytě) Centrální nucené větrání s rekuperací (vzduchotechnická jednotka společně v budově) Decentrální teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla (vzduchotechnické jednotky v bytě) Centrální teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla (vzduchotechnická jednotka společně v budově) Příprava teplé vody Decentrální příprava teplé vody v bytech 0 Centrální příprava teplé vody v budově, bez cirkulace 5 Centrální příprava teplé vody v budově, s cirkulací 30 300 150 700 400 Z vypočtené roční spotřeby uživatelské a pomocné EE průměrných domácností je možné odvodit odběrové křivky s hodinovým krokem na základě typových diagramů dodávek EE uveřejňovaných Operátorem trhu s elektřinou (OTE a.s.). Typové diagramy dodávek (TDD) popisuje Vyhláška 541/2005 Sb. o Pravidlech trhu s elektřinou a OTE je komentuje následovně: Normalizovaný typový diagram dodávky (TDDn, kde n je příslušná třída) je 8 760 relativních hodnot průměrných hodinových odběrů v roce, vztažených k hodnotě ročního maxima. Hodnoty TDDn se pohybují v rozmezí 0 až 1 a definují tvar diagramu zatížení dané skupiny konečných zákazníků. Celkový součet relativních hodnot průměrných hodinových odběrů TDDn pak vyjadřuje dobu využití maxima v h/rok. Třídy TDD dle skupin zákazníků specifikuje Příloha č. 4 Vyhl. 541/2005 Sb. a uvádí je Tabulka 11. Tabulka 11: Třídy typových diagramů dodávek EE a skupiny zákazníků dle Vyhl. 541/2005 Sb - Příloha 4. Typ zákazníka Třída Charakter odběru Sazby dle ERÚ podnikatel domácnost 1 odběr bez tepelného využití elektřiny C01d, C02d, C03d 2 3 odběr s akumulačním spotřebičem odběr s hybridním vytápěním odběr s přímotopným systémem vytápění odběr s tepelným čerpadlem C25d, C26d, C35d C45d, C55d, C56d 4 odběr bez tepelného využití elektřiny D01d, D02d, D61d 5 odběr s akumulačním spotřebičem D25d, D26d 6 odběr s hybridním vytápěním D35d 7 odběr s přímotopným systémem vytápění odběr s tepelným čerpadlem D45d, D55d, D56d podnikatel 8 odběr pro veřejné osvětlení C62d 188