škola studijní program ČVUT, Fakulta architektury B 3501 Architektura a urbanismus předmět přednáška přednášející Ekologie I EKONOMIE Pavel Šmelhaus podpořeno Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Projekt byl podpořen z programu Operační program Praha Adaptabilita Název Architektura bydlení Reg. číslo CZ.2.17/3.1.00/34101
Spotřeba primárn Doprava 20% rní energie ve světě Provoz budov 40% Průmyslová výroba 20% Nová výstavba 20% Provoz budov a stavebnictví spotřebovávají ročně více než polovinu energie na světě.
Provoz a výstavba budov mají největší vliv na celkovou spotřebu energie ve světě = VELKÁ ZODPOVĚDNOST ARCHITEKTA Primární energii vloženou do vlastní výstavby a výroby stavebních materiálů můžeme snížit vhodnou volbou stavebních hmot (lokální zdroje, obnovitelné a recyklované suroviny atd.) Provozní spotřebu energie lze výrazně zredukovat optimálním návrhem energeticky úsporné stavby a správným užíváním budovy
Energie jako nové politické téma
Kdo profituje z neefektivního využívání energií? Organization of the Petroleum Exporting Countries (OPEC) - Alžírsko, Indonésie, Irák, Írán, Katar, Kuvajt, Libye, Nigérie, Saudská Arábie, Spojené arabské emiráty, Venezuela Gas Exporting Countries Forum, (GECF) - Alžírsko, Azerbajdžán, Bolívie, Egypt, Írán, Katar, Kazachstán, Libye, Nigérie, Rovníková Guinea, Rusko, Trinidad a Tobago,Venezuela Země s nízkou n mírou m demokracie, potlačuj ující lidská práva, používaj vající exportu energetických surovin k politickým cílům. c
Efektivita a bezpečnost těžby fosilních paliv Bezpečnost. Ropné těžební plošiny a ropná pole představují jedny z nejsložitějších zařízení na světě Havárie při těžbě a přepravě ropy mají velký dopad zejména na aquakulturu rostliny a živočichy na vodu vázané. Zemní plyn je z hlediska těžby enviromentálně příznivější
Efektivita a bezpečnost těžby fosilních paliv Efektivita. Při těžbě ropy dochází ke spalování odpadního zemního plynu Jeho využití brání zejména chybějící infrastruktura vyžadující další investice Spalovaní je však lepší než vypouštění - metan je škodlivější pro atmosféru než CO 2 vzniklé spálením Ročně je spáleno 150 miliard m 3 =150 PWh (150 000 TWh).
Struktura energetických zdrojů v ČR: 1. Uhlí nejrozšířenější pro elektrárenské a teplárenské účely, lokální vytápění 2. Zemní plyn - zejména pro vytápění, nověji též pro kombinovanou výrobu tepla a el. energie (paroplynový cyklus) 3. Ropa -doprava, chemická surovina, pro vytápění (LTO) a výrobu elektřiny jen v okrajově 4. Jaderná energie - elektřina, jen minimální teplárenské využití, celkem do 10% 5. Obnovitelné zdroje - voda, vítr, slunce, biomasa, geotermální energie celkově zatím pod 10% Vysoká závislost ekonomiky na tradičních energetických zdrojích, nenahraditelnost ropy v oblastech chemického průmyslu a dopravy, plyn zůstává významným a relativně čistým zdrojem tepla, do budoucna s perspektivou většího podílu kogenerace (výroba tepla + elektřiny).
Původ energetických zdrojů pro ČR: 1. Uhlí těžba v ČR, menší část dovážena z Polska a Ukrajiny Nevýhodou je výrazný dopad na krajinu, nízká účinnost výroby elektřiny, vysoké emise CO 2, potřeba odsiřování. 2. Zemní plyn dovoz z Ruska (75%) a Norska (25%). 3. Ropa dovoz z Ruska (64%), Azerbajdžánu (26%) a Kazachstánu (7%) 4. Jaderná energie dovoz paliva z Ruska (100%) u JETE možnost úpravy na jiné palivové články. 5. Obnovitelné zdroje biomasa, solární a větrná energie. Nevýhodou je nízká spolehlivost a malá koncentrace energie, což však může mít pozitivní sociální dopad.
Obnovitelné zdroje energie - BIOMASA 10 kwh = 1m 3 zemního plynu = 1 kg motorové nafty = 2,5 kg dřevěných pelet Orientační porovnání energie obsažené v různých palivech.
Obnovitelné zdroje SOLÁRNÍ ENERGIE množství energie na 1 m 2 plochy 1000 kwh/rok = teoretický solární zisk 300-500 kwh = reálně využitelná energie z termálního systému 150 kwh = získaná elektřina z fotovoltaiky (při účinnosti 15% neboli 1000 kwh z instalovaného kwp)
Přepočet na primární energie: 3.5 3 Využitá energie Primární energie 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Biomasa - palivové dřevo Biomasa - pelety Zemní plyn Hnědé uhlí Elektřina (průměrně)
Centráln lní systémy vytápění biomasou - energetika centrální vytápění biomasou Měňany Vstupní údaje: počet obyvatel 250 počet domů 75 převládající způsob původního vytápění - lokální na tuhá paliva roční produkce 4 800 GJ 64 GJ/dům 16000 Kč/dům 1 310 MWh 17.472 MWh/dům prodejní cena za GJ 250 Kč cena za MW 915.8 Kč
Centráln lní systémy vytápění biomasou - ekonomika Měňany inv./dům inv./os. investice 40 000 tis.kč 533.33 160.00 dotace 17 000 tis.kč 226.67 68.00 úvěr 22 000 tis.kč 293.33 88.00 instalovaný výkon 1 120 kw splátka roční 2 160 tis.kč 28.80 8.64 úspora nákladů za rok celkem 525 tis.kč úspora na dům 7.0 tis.kč 7.64 MWh 28.00 GJ úspora na osobu 2.1 tis.kč odpovídající úspora energie 7.64 2.29 MWh roční tržba za prodanou energii 1 200 000 Kč 28.00 8.40 GJ náklady na výrobu 960 000 Kč jsou vyšší než úspora provozní ztráta (pokrytí roční splátky úvěru) 1 920 000 Kč -25 600 Kč roční ztráta na dům -7 680 Kč roční ztráta na os. přepočtené náklady na výrobu 12 800 Kč/dům náklady na výrobu/počet domů skutečný nárůst nákladů 5 800 Kč/dům náklady na dům po odečtení úspory návratnost investice 76 let celk.investice/úspora nákladů návratnost úvěru z úspor (bez vlivu úroků) 42 let úvěr/úspora nákladů
Elektřina a zemní plyn = klíčová energetická media pro provoz moderních budov Roční výroba elektřiny v ČR je cca 56 000 GWh Export elektřiny představuje cca 15 000 GWh (tedy asi 18%) Dovoz plynu odpovídá 95 000 GWh Kvalitní novostavba spotřebuje ročně okolo 15 MWh energie, pasivní domy cca 5-7 MWh.
Účinnost různých způsobů výroby elektrické energie: 100% 90% 80% 70% 60% 70 70 55 40 35 15 50% 40% 30% 20% 10% 30 30 45 60 65 85 0% Kondenzční uhelná elektrárna Jaderná elektrárna Paroplynová uhelná elektrárna Teplárna uhelná Paroplynová elektrárna (zemní plyn) Kogenerace
Proč šetřit provozními energiemi v budovách??????????? 1. Snížen ení provozních nákladn kladů 2. Zvýšen ení nezávislosti na dodavatelích energií 3. Společensk enská odpovědnost dnost - co nespotřebujeme ebujeme my, bude moci být efektivněji využito v budoucnosti
Doprava 20% Provoz budov Provoz budov 40% Průmyslová výroba 20% Nová výstavba 20% Provoz budov představuje největší potenciál pro úspory primárních energií
Struktura spotřeby energií v budovách - Vytápění (prakticky nezbytné ve všech budovách) - Chlazení (lze minimalizovat správným návrhem objektu) - Větrání (nucené větrání se používá stále častěji ve spojení s rekuperací vzduchu) - Osvětlení a drobné spotřebiče (velmi individuální požadavky u jednotlivých budov) - Vnitřní doprava (výtahy, eskalátory ) - Provoz technologií (instalované výrobní technologie,počítačové vybavení, kuchyně bezprostředně nesouvisí s návrhem stavby)
Kdo mám zájem postavit energeticky úsporný objekt? Stát, obce, samosprávné orgány: uvažují většinou ve 4 letém horizontu volebního cyklu úspornější stavba=dražší stavba, kritika zbytečné investice ze strany opozice, problematický vliv Evropských dotací. Developer, komerční investor: Sleduje prostou návratnost investice - nízké stavební náklady+co nejvyšší prodejní cena, deklarovaná úspornost se bere především jako marketingový prvek. Autonomní společnosti stavějící pro sebe: Chtějí kvalitní objekt za relevantní náklady, orientují se v problematice a dokáží si spočítat návratnosti celkové investice. Individuální stavebníci: Stavbou si chtějí splnit zejména svůj životní sen - vlastní dům. Parametry a návratnost investice pro ně nemusí být vždy prioritou. Významná role architekta jako tvůrce energetického konceptu!
Struktura provozních nákladn kladů Roční provozní náklady- koupaliště a plavecký bazén amortizace - odpisy (2% ročně) pojištění (0.25% z 25% ceny objektu) 3% mzdy 31% plyn/vytápění 13% el.energie 9% vodné+ stočné 9% režie 2% externí služby 8% U komerčních staveb jsou provozní náklady na personál l a služby většinou vyšší než náklady na energie. Výrazně se podílej lejí též účetní položky - amortizace,odpisy, pojištění atd.
Snížen ení provozních nákladn kladů Provozní náklady domu (nízkoenergetický standard, užitná plocha 160m 2 ) Splátka hypotéky 72% Pojištění 2% Ene rgie 13% Vodné+stočné 2% Úklid 7% Údržba zahrady 4% Objekty pro bydlení mají podíl energie na provozních nákladech n vyšší šší,, poměr r ale výrazně mění splátky hypoték - ty vysoce převýší ostatní provozní náklady.
Hlavní zásady návrhu energeticky úsporné stavby Vhodné dispoziční řešení objektu ne vždy je možné-tvar pozemku, orientace, výhled atd. Minimalizace tepelných ztrát prostupem konstrukcemi (okna, střecha, stěny.) limitováno technologickými možnostmi zejména u rekonstrukcí Využívání solárních zisků pasivním i aktivním systémem pasivní závisí na uživatelích stavby, aktivní navyšuje investiční náklady Vysoce účinný a dobře regulovatelný zdroj tepla musí však vždy být správně nastaven provozní režim Omezení nadměrné infiltrace vzduchu a řízené větrání s rekuperací tepla vzduchotěsnost i větrání jsou opomíjené, a ne vždy uživateli akceptované Eliminace mechanické klimatizace v objektu v komerčních objektech vyšší kategorie to je však často vyžadováno jako nezbytný standard. Užívání objektu v souladu s jeho koncepcí vše výše uvedené je zbytečné realizovat není-li to v praxi využíváno
Výrazný vliv solárních zisků Pasivní solární systémy přímý ohřev interiéru solární radiací- tvar domu, solární okna, zimní zahrady atd. nutnost ochrany před přehříváním interiéru, klimatizace je často energeticky náročnější než vytápění. Aktivní solární systémy slunce dodává energii kolektorům, nutnost zajištění stálého odběru tepla či elektrické energie, problém volby vhodné velikosti. Čistá ekonomická návratnost je (bez dotací) problematická, u fotovoltaiky naopak zkreslená vysokou výkupní cenou elektřiny.
7 000 6 000 5 000 Energetická bilance zimní zahrady roční spotřeba solární zisky (X-IV) bilance 4 000 3 000 2 000 1 000 0-1 000-2 000-3 000 kw h/rok 5 10 15 20 v nitřní v ýpočtov á teplota ( o C)
30 000 Vliv uživatelského chování na výslednou spotřebu 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 1 2 Při relativně nízkých spotřebách staveb je vliv uživatele nejdůležitějším faktorem na výsledné energetické bilanci.
Vliv uživatelského chování na výslednou spotřebu Nejsnáze ovlivnitelným faktorem je vnitřní teplota- ta bývá překračována ve většině domů, každý stupeň navíc znamená 5-6 % nárůstu spotřeby.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb A.Urbanistické faktory malé odstupy staveb, nevhodná parcelace nerespektující orientaci ke světovým stranám, studené a větrné lokality, požadavky na vzhled staveb Investoři i vybíraj rají parcelu primárn rně dle atraktivity lokality a finanční dostupnosti pozemku a nezohledňuj ují vhodnost k výstavbě jsou tam sítěs a cesta dá se tam stavět! t!
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb B. Regulativy místních samospráv a orgánů státní správy Obce i orgány státn tní správy odmítaj tají moderní,, tvarově jednoduché a konstrukčně efektivní a energeticky úsporné domy s odůvodn vodněním že v místm stě musí být domy tradičního vzhledu.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb C. Dispoziční požadavky stavebníků stavební program domu se často nepodaří umístit do kompaktního tvaru domu, členitějším řešením tak narůstá ochlazovaný povrch stavby. Plocha přízemí vychází větší než podkroví a provozně vhodnější dispoziční uspořádání je zpravidla upřednostněné před čistě energetickým hlediskem.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb D. Individuální estetické požadavky stavebníků, kteří u energeticky úsporných opatření vyžadují prokázání rentability, zatímco celou stavbu z tohoto hlediska nehodnotí. Celková energetická bilance stavby je záporná, z čistě energetického (i ekonomického) hlediska se novostavba domu (po započtení externích nákladů na dojíždění) mimo město nevyplatí. Od výstavby individuálních domů jsou očekávány jiné než ekonomické přínosy-pocit soukromí, život ve vlastním domě ve zdravějším prostředí atd.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb E. Aktuální legislativní podmínky a jejich změny - koncepce návrhů se přizpůsobují různým dotačním programům Poměrné provozní náklady na energie 500 400 300 200 100 Koberovy Koberovy škol. Rychnov Dům W Litoměřice 07/08 Litoměřice 08/09 Čtveřín Liberec Babice Kostomlaty 08/09 Kostomlaty 09/10 Říčany N. Mrač Liteň Křenovice Ostrov Špička Mirošov Hloubětín Maršov Újezd Družec 07/08 Družec 08/09 AB NOVES Kosmonosy Vranné Minisvět Sluňákov Davle 0-100 -200
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb F. Přísný požadavek na ekonomickou návratnost investice
Shrnutí zkušeností z provozu nízkoenergetických domů Reáln lná spotřeba úsporných domů je ve většinv ině případů nižší než byla předpoklp edpokládaná výpočtov tová hodnota Topná sezóna je kratší než je předpoklad p ve výpočtu Dům m mám reáln lně nižší spotřebu teplé užitkové vody Nezapočítávaj vají se energetické zisky z krbů na dřevod U domů bez rekuperace (kde je dosaženo parametrů NED) nejsou pravděpodobn podobně dodržov ovány normové objemy větracího vzduchu
Pasivní dům v podmínkách ČR Nízkoenergetické domy Pasivní dům Rychnov u Jablonce (ilustrační fotografie z časopisu Alternativní energie 3/2005)
Srovnání energetické spotřeby staveb Výpočtové hodnoty- rodinný dům 150m 2 užitné plochy, t e =-12 o C, solární zisky svislým prosklením 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 kwh/měsíc Běžná stavba Nízkenergetický dům Pasivní dům Solární zisky (pasivní) 0 červenec srpen září říjen listopad prosinec leden únor březen duben květen červen
Vliv konceptu pasivní budovy na architekturu staveb Pasivní dům Rakousko Nízkoenergetický dům ČR Pasivní dům Česká republika V lokalitách s nedostatkem slunečných dní v zimním období jsou u pasivního domu transparentní plochy ztrátové a je nezbytné jejich plochu redukovat na minimum.
Optimální poměr plochy oken pro energeticky úspornou stavbu V oblastech kde je málo zimních slunečních zisků je okno ztrátovým prvkem stavby= čím méně oken tím lépe z energetického hlediska. Energetické hledisko je jen jedním m z mnoha při p i vytvářen ení kvalitní stavby - uživatelský komfort a zdravé vnitřní prostřed edí jsou prioritou.
Vliv výpočtové metodiky a vstupních údajů kwh/m 2a Dům výpočtově umístěn do Německa (Hannover) Dům výpočtově umístěn do Rakouska (Vídeň) Výpočtově lepší parametr oken (U=0.8 místo 1.2W/m2K) Nízkoenergetický dům přepočet spotřeby na m2 podlahové plochy Nízkoenergetický dům přepočet spotřeby na m2 vnitřní plochy 0 5 10 15 20 25 30 35 Dosažení parametrů pasivní stavby je výrazně ovlivněno použitou metodikou a vstupními daty. Průměrné klimatické podmínky pro ČR nejsou příznivé pro pasivní stavby.
Porovnání energetické spotřeby domu s automobilem 13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 roční spotřeba kwh automobil kwh/rok NED kwh/rok Dojezdová vzdálenost (km) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Při i ujetí 10 000 km za rok (denní dojížď žďka cca 14km) je energetická spotřeba automobilu vyšší než tepelná ztráta ta nízkoenergetickn zkoenergetického domu.
Návrh budovy - nová výstavba Doprava 20% Provoz budov 40% Průmyslová výroba 20% Nová výstavba 20% =významný podíl architekta na celkové energetické bilanci.
Spotřeba energie na výrobu 1 tuny materiálu 1400 50 250 300 450 500 550 750 1 000 1 200 1200 1000 800 600 400 200 0 kw h/t dřevo lomov ý kámen 50 dřev o 250 lom ov ý k ám en beton pros tý 300 beton pros tý cihla děrov aná 450 cihla děrov aná cihla plná 500 cihla plná střešní tašky 550 střeš ní tašky porobeton 750 porobeton cement vápno pálené cem ent v ápno pálené Plast Hliník 1 000 1 200 12 500 kwh/t 70 000
Optimáln lní materiálov lové řešení z energetického hlediska V podmínkách Evropy stavba s maximálním podílem dřeva a co nejnižšími provozními nároky = nízkoenergetická či pasivní dřevostavba
Podíly materiálů použitých na u dřevostavby d Hmotnosti jednotlivých částí dřevostavby (t) 120 100 100 90 87,4 80 60 40 24 23 20 15 11 5 9 4,8 2 2.5 1.8 0 zemní práce-podkladní zemina základy-monolit.beton základy-ocel dlažby (zámková,zatravňovací) štěrkové podsypy dlažby obsyp potrubí-písek vsakovací jámy-štěrk dřevěná konstrukce K-kontrol zásyp střechy kačírkem dřevěné opláštění,dřevěné terasy okna (dřevěná+trojsklo) sádrokartonové systémy podlahové souvrství+masiv.dřevo Nejtěžší částí dřevostavby jsou její základy, výrazně se podílejí úpravy terénu a zpevněné plochy - dlažby a nezbytné štěrkové podsypy.
Celková hmotnost dřevostavby d 1% 6% 23% 28% Podíl hmotnosti nadzemní části dřevostavby na výsledné bilanci (celkem 504 tun) 24% 1% 3% 15% 6% 4% 1% 0% 2% 1% zemní práce-podkladní zemina základy-monolit.beton základy-ocel dlažby (zámková,zatravňovací) štěrkové podsypy dlažby obsyp potrubí-písek vsakovací jámy-štěrk dřevěná konstrukce K-kontrol zásyp střechy kačírkem dřevěné opláštění,dřevěné terasy okna (dřevěná+trojsklo) sádrokartonové systémy podlahové souvrství+masiv.dřevo Nadzemní část dřevostavby představuje 15-25 % celkové hmotnosti materiálů s výstavbou domu spojených. Podíl silikátových materiálů zůstává i u ní vysoký, rozhodující jsou základy a terénní úpravy.
1% 5% Celková hmotnost silikátov tové stavby 20% Podíl nadzemní části zděné stavby na celkové bilanci 1% 2% zemní práce-podsyp+podkladní zemina základy-monolit pasy+deska základy-ocel dlažby (zámková,zatravňovací) štěrkové podsypy dlažby obsyp potrubí-písek 19% vsakovací jámy-štěrk 26% zdivo obvodové+příčky+strop 27% 2% 1% 2% 0% 1% 1% zásyp střechy kačírkem krov pult.střechy vnější omítka tepelněizolační okna (dřevěná+trojsklo) 18% vnitřní omítka tep.izolační podlahové souvrství+masiv.dřevo Nadzemní část zděné stavby představuje 25-50 % celkové hmotnosti stavby.
Příklad energeticky pasivní dřevostavby - Mateřská škola Mrač
Umístění stavby Optimálně orientované parcela s dobrou dopravní dostupností, na okraji obytné zástavby, pozemek cca 3250m 2, zastavěná plocha 695m 2, terasa cca 200m 2
Provozní členění objektu-přízemí 1.NP Veřejná část, Školka (3 třídy), Společenská část, Technické a provozní zázemí
Patro 2.NP Veřejn ejnáčást, Technické a provozní zázemí
Suterén 1.PP Společensk enskáčást, st, Technické a provozní zázemí
Výškové řešení-podélný řez Veřejn ejnáčást, Školka (3 třídy), t Společensk enskáčást, st, Technické a provozní zázemí
Výškové řešení příčný řez Třídy optimáln lně orientované k jihu a jihovýchodu. Energeticky méněm příznivý, členitý tvar je dán d n požadavkem na přirozenp irozené osvětlen tlení hygienického ho příslušenství tříd.
Předpokládané energetické parametry a skutečné výsledky spotřeby Výpočtové hodnoty dle PENB: měrná spotřeba tepla na vytápění 11 kwh/m 2 a, celková měrná spotřeba energie 44 kwh/m 2 a, energetická náročnost budovy Ep=178 GJ/rok=49,5 MWh. Naměřená spotřeba veškeré el. energie 21MWh = 75 GJ/rok Skutečná spotřeba energie 19 kwh/m 2 a V této hodnotě je zahrnut mimo běžnou spotřebu a osvětlení i provoz kuchyně, sauny, keramické pece.
Výhody energeticky pasivní montované dřevostavby pro mateřskou školu 1. Rychlost výstavby - zrealizováno za 6 měsíců 2. Vysoká garance ceny dodavatel si zpracovává výrobní dokumentaci z níž je cena přesně spočítána 3. Přesnost stavby - výměry místností přesně odpovídají projektu a lze tak bezpečně splnit veškeré normové požadavky na osvětlení, plochu na dítě atd. 4. Energetická úspornost u dřevostavby lze dosáhnout parametrů pasivní stavby ekonomičtěji a snáze se řeší konstrukční detaily. 5. Image progresivní stavby z ekologických materiálů, příjemné vnitřní prostředí, teplé povrchy stěn 6. Architektonické řešení dřevěná konstrukce umožňuje realizovat elegantní a subtilní detaily stavby
Fotogalerie-interi interiér školky Chodba u třídt Vstupní hala
Zkušenosti z přípravy a realizace pasivních dřevostaveb Nedůvěra k systémům nuceného větrání ze strany hygienické stanice a stavebního úřadu. Časté změny legislativy např.změna požárních předpisů v průběhu přípravy - aktuální stav není pro dřevostavbu příznivý. Dimenzování základů u mnoha dřevostaveb odpovídají dimenze základů těžkým stavbám a bohužel není dosahováno výraznější úspory. Nákladná otopná soustava školky - i přes úsporný návrh musí být dimenzována na extrémní venkovní teploty vzhledem k hygienickým požadavkům na MŠ není možné ani dočasné snížení vnitřních teplot (což je u RD přípustné). Velká rychlost výstavby klade mimořádné nároky na koordinaci stavby, jednotlivých subdodávek a zejména u technologií TZB. Dřevostavby jsou příliš podobné silikátovým stavbám, estetický a funkční potenciál dřeva je zbytečně potlačen (zejména z požárních důvodů).