Obnova budov: Vzostup vnútornej teploty pri obnove historickej budovy so zohľadnením požiadaviek na EHB
Časopis Správa budov Súčasná inflácia v energetickom sektore poukazuje na to, že je potrebné existujúce budovy začať obnovovať a znižovať ich náročnosť na spotrebu energie. Takýchto budov je v našej krajine veľké množstvo. Ide o budovy škôl, škôlok, verejné budovy, ale hlavne o budovy nemocníc.
Väčšina existujúcich budov nemocníc je z hľadiska technického stavu už po svojej životnosti, alebo sa ku koncu životnosti približuje. Majú nekvalitnú tepelnú ochranu, systémy vykurovania, prípravy teplej vody, osvetlenia, vetranie, ale aj zastarané systémy merania a regulácie.
Pritom stavebné konštrukcie budov a ich technické systémy majú výrazný podiel na celkovej spotrebe energie. Jedna z možností, ako existujúce, ešte pôvodné budovy obnoviť, je využitie aktuálnej dotácie z Plánu obnovy. Ide o možnosť použitia finančných prostriedkov na zlepšenie kondície pre stavebné konštrukcie, ale aj ostatné miesta spotreby v zmysle zákona č. 555/2005 Z. z.
Na to, aby budova mohla využiť dotáciu z Plánu obnovy, je potrebné, aby splnila určité požiadavky. Toto je potrebné preukázať v projektovej dokumentácii a v projektovom energetickom hodnotení. Ide predovšetkým o dosiahnutie určitej úrovne úspory a zvýšenia tepelnej pohody vo vnútornom prostredí počas celoročného užívania budovy.
Zákon č. 555/2005 Z. z. [1] stanovuje, že od 1. 1. 2021 sa musia navrhovať budovy s takmer nulovou potrebou energie. Budova s takmer nulovou potrebou energie je z hľadiska energetickej hospodárnosti budov zaradená do energetickej triedy A0 pre globálny ukazovateľ, ktorým je primárna energia.
Na dosiahnutie tejto energetickej úrovne je potrebné zlepšiť tepelnotechnické vlastnosti obvodového plášťa a zlepšiť aj kondíciu technických zariadení. Potrebné je určiť efektívne riešenie, ktoré zabezpečí rovnováhu medzi nákladmi na navrhované stavebno-technické riešenia, technické zariadenie budov a celkové zlepšenie energetickej hospodárnosti budov. Preto sa aj Plán obnovy zameriava predovšetkým na zlepšenie tepelnej ochrany budovy a zlepšenie systémov technického zariadenia budov.
Požiadavky Plánu obnovy
Jedna zo základných požiadaviek, ktoré je potrebné preukázať v projektovej dokumentácii a v projektovom energetickom hodnotení, je splnenie 30 % úspory pre globálny ukazovateľ, ktorým je primárna energia. Podľa strategického dokumentu Plán obnovy je súčasťou obnovy zlepšovanie tepelnotechnických vlastností teplovýmenného obalu budovy.
Požiadavku na obnovu je najefektívnejšie špecifikovať cez minimálne požiadavky na hodnoty energetických ukazovateľov, ktoré ovplyvňujú tepelnotechnické parametre obalových stavebných konštrukcií. Cieľom požiadavky má byť zabezpečenie súladu s princípom prvoradosti energetickej efektívnosti a zabezpečiť, aby sa napr. plynový kotol neinštaloval do budovy, ktorá má vysoké tepelné straty cez teplovýmenný obal (napr. cez steny, okná, strechu).
Budova musí po obnove spĺňať stanovenú úroveň tepelnotechnických vlastností. Ide predovšetkým o požiadavky na súčiniteľ prechodu tepla a požiadavku na splnenie energetického kritéria – mernej potreby tepla na vykurovanie. Obnovené, ale aj novopostavené budovy budú optimalizované na zabezpečenie tepelnej pohody pre užívateľov aj pri extrémnych teplotách vonkajšieho prostredia.
Posúdenie zabezpečenia tepelnej pohody možno vykonať zhodnotením splnenia požiadaviek STN 73 0540-2+Z1+Z2, 2019 [2] na tepelnú stabilitu miestností v letnom období. Splnenie kritéria vytvára predpoklady na zabezpečenie tepelnej pohody v letnom období a prípadnú aplikáciu ďalších sanačných opatrení.
Výpočet hodnoty najvyššej dennej teploty vzduchu v miestnosti v letnom období Θai,max (°C) sa realizuje v súlade s požiadavkami STN 73 0540-2+Z1+Z2, 2019 [2]. Požiadavka sa považuje za splnenú, ak Θai,max ≤ Θai,max,N v súlade s STN [2]. Splnenie bude doložené posúdením hodnoty najvyššej dennej teploty vzduchu v miestnosti v letnom období pre kritickú miestnosť.
Ak nie je splnené kritérium a ak je to technicky a realizačne možné, musia sa navrhnúť opatrenia zabraňujúce nadmernému vzostupu vnútornej teploty vzduchu v pobytových miestnostiach v letnom období stavebnými úpravami (napr. tienením) alebo dostatočným vetraním, prípadne iným adaptačným opatrením. Ak nie je kritérium možné dosiahnuť ani stavebnými úpravami, treba v primeranom rozsahu použiť nútené vetranie, chladenie, klimatizáciu.
Analýza prínosu opatrení
Článok je zameraný na analýzu prínosu opatrení na dosiahnutie minimálnej požadovanej 30 % úspory energie. Sú analyzované tieto vplyvy:
- výmena otvorových konštrukcií,
- zateplenie obvodového plášťa (steny, strecha),
- aplikácia vetrania s rekuperáciu a jej vplyv na úsporu potreby energie na vykurovanie,
- obnova systému vykurovania.
Okrem hľadania možností dosiahnutia požadovanej energetickej úspory sa článok zameriava aj na analýzu vplyvu obnovy na hodnotu najvyššej dennej teploty vzduchu v miestnosti v letnom období. Ide o analýzu vplyvu:
- zateplenia obvodového plášťa,
- výmeny otvorových konštrukcií,
- tienenia,
- vetrania,
- chladenia.
Opis budovy
Budova je situovaná v areáli Nemocnice s poliklinikou Myjava (obr. 1). Komplex architektonicky kvalitných budov navrhol významný architekt, profesor E. Kramár. Najstaršie časti nemocnice boli vybudované v roku 1954 podľa projektov z roku 1951. Budova nie je zapísaná v zozname národných kultúrnych pamiatok.
Má štyri nadzemné podlažia, jedno podlažie čiastočne zapustené a jedno podzemné technické podlažie (obr. 2). Strecha je plochá. Projektová dokumentácia rieši strednú hĺbkovú obnovu budovy, ktorá je v zmysle Nariadenia a Odporúčania Komisie o obnove budov (EÚ) 2019/786 definovaná ako obnova budovy, ktorou sa dosiahne viac ako 30 % úspora primárnej energie.
Jej cieľom je zabezpečiť energetickú hospodárnosť budovy v zmysle § 3 ods. 1 zákona č. 555/2005 Z. z. s ohľadom najmä na množstvo energie potrebnej na vykurovanie a prípravu teplej vody. Existujúce zvislé nosné konštrukcie riešenej časti budovy sú zhotovené z tehlového muriva s hrúbkou 450 a 600 mm, kombinované v určitých polohách s konštrukciami z monolitického železobetónu. Rovnako sú realizované aj stropy budovy. Podrobný opis stavebných konštrukcií a ich posúdenie sa uvádzajú v ďalšej časti článku.
Obnova z hľadiska tepelnej ochrany budovy
Na zvýšenie tepelnotechnických vlastností obalovej konštrukcie sa realizovali:
- zateplenie obvodového plášťa vonkajším kontaktným tepelnoizolačným systémom s tepelnou izoláciou na báze minerálnej vlny,
- odstránenie pôvodných strešných vrstiev a následné vyhotovenie nového zateplenia a novej hydroizolácie plochých striech,
- výmena existujúcich výplní otvorov okien.
Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií
Obvodová stena je tvorená z plných pálených tehál, vnútornej a vonkajšej omietky. Ide o skladbu s nízkym tepelným odporom. Riešená konštrukcia je pôvodná, doplnená novou povlakovou hydroizoláciou na báze PVC. Otvorové konštrukcie sú pôvodné, s plastovým/oceľovým rámom.
V tab. 1 vidieť, že existujúce stavebné konštrukcie nespĺňajú platne normalizované požiadavky. Preto je potrebné všetky obalové konštrukcie obnoviť tak, aby spĺňali súčasné požiadavky podľa STN 73 0540 [2]. Ide o výmenu existujúcich otvorových konštrukcií s profilmi s Uf = 1,0 W/(m2 . K), s izolačným trojsklom s Ug = 0,6 W/(m2 . K) a s TGI dištančným rámčekom.
Plastové profily s izolačným dvojsklom sa nemenia, keďže to nie je technicky a ekonomicky uskutočniteľné. Zateplenie obvodového plášťa je navrhnuté ETICS s tepelnou izoláciou na báze minerálnej vlny s hrúbkou 160 mm a zateplenie strešného plášťa tepelnou izoláciou PIR s hrúbkou 150 mm s novou povlakovou krytinou na báze PVC. Zateplenie podlahy nad suterénom nie je technicky uskutočniteľné, preto sa s týmto opatrením v analýze neráta.
Posúdenie energetickej hospodárnosti budovy pre vybrané varianty
Výsledkom hodnotenia energetickej hospodárnosti budov je zatriedenie budovy do energetickej triedy z hľadiska primárnej energie. Takýto výsledok v sebe zahŕňa všetky miesta spotreby energie (miesto spotreby energie na vykurovanie, prípravu teplej vody, osvetlenie, vetranie a chladenie).
V článku sa zameriavame predovšetkým na výpočet potreby tepla na vykurovanie, ktorý je potrebným vstupom pre výpočet potreby energie na vykurovanie. Ide o posúdenie z hľadiska splnenia minimálnych požiadaviek na energetickú hospodárnosť budov v zmysle STN 73 0540 [2].
Opis jednotlivých variantov
Pre zníženie tepelných strát, a tým aj zníženie reálnej spotreby energie, sa analyzovali nasledovné varianty:
- zateplenie obvodového plášťa vonkajším kontaktným tepelnoizolačným systémom s tepelnou izoláciou na báze minerálnej vlny s hrúbkou 160 mm,
- zateplenie strešného plášťa PIR izoláciou s hrúbkou 150 mm,
- výmena ešte existujúcich otvorov za profily s prerušeným tepelným mostom Uf = 1,0 W/(m2 . K) a s izolačným trojsklom Ug = 0,6 W/(m2 . K),
- všetky predošlé opatrenia spolu.
Výsledky z energetického hodnotenia jednotlivých variantov
Na splnenie požiadaviek z dotačného systému Plánu obnovy je potrebné pre dané posudzované budovy splniť podmienku minimálne 30 % úspory pre primárnu energiu. Článok sa zaoberá iba analýzou potreby tepla. Pri splnení úspory min. 30 % je predpoklad, že veľmi podobná úspora bude platiť aj pre primárnu energiu, keďže sa uvažuje s tým istým zdrojom tepla na vykurovanie aj na prípravu teplej vody.
Obnova ostatných miest spotreby, ako sú osvetlenie, vetranie a chladenie, prinesie ďalšie navýšenie danej úspory. Na obr. 3 a 4 sú zobrazené potreby tepla pre jednotlivé navrhované varianty. Ako vidieť na obr. 3 a 4, samotnou obnovou existujúcich transparentných otvorových konštrukcií, alebo iba obnovou strešného plášťa, nie je možné dosiahnuť požadovanú 30 % úsporu energie.
Zateplením obvodového plášťa možno dosiahnuť výpočtovú úsporu až okolo 36 %. V tomto prípade by sa splnili aj stanovené požiadavky. Ideálne riešenie je však z hľadiska tepelnej ochrany budov uskutočnením významnej obnovy posudzovanej budovy.
Analýza výpočtu hodnoty najvyššej dennej teploty vzduchu v miestnosti v letnom období simulačnou metódou
Na overenie vplyvu navrhovanej obnovy na výpočtovú hodnotu najvyššej dennej teploty vzduchu v miestnosti v letnom období sa zvolila simulačná metóda, ktorou sa zisťoval priebeh vnútornej teploty priamo vo vybranej kritickej miestnosti v zmysle STN 73 0540 – 2 + Z1 + Z2 [2].
Ide o simulačný softvér EnergyPlus 7.2.0 [3] s hodinovým krokom výpočtu, kde sa ako základné analyzované parametre zvolili:
- množstvo výmeny vzduchu (infiltrácia),
- zmena parametrov obvodového plášťa steny a plochej strechy (pred obnovou, po obnove),
- výmena otvorových konštrukcií s izolačným zasklením (dvojsklo na trojsklo),
- vonkajšie tienenie – hliníková žalúzia.
Opis analyzovaného modelu
Predmetom simulačnej analýzy je vybraná kritická miestnosť – nemocničná izba – s orientáciou na svetové strany JV (obr. 5). Táto bola vytypovaná na charakteristickom, najvyššom podlaží práve pre orientáciu s vysokou záťažou, intenzitou slnečného žiarenia najmä v doobedňajších hodinách – keďže predmetom analýzy je práve prehrievanie jej vnútorného prostredia.
Prvotné výstupy z energetických simulácií preukázali významnú závislosť prehrievania vnútorného priestoru nemocničnej izby zmenou infiltrácie, z počiatočných nINF,1 = 0,05 1/h definujúcich veľmi tesný obal budovy, jej otvorovú časť, až po výrazné prirodzené vetrania dané hodnotou nINF,2 = 2,00 l/h (s výpočtovým krokom 0,50 l/h).
Toto prehrievanie rovnako do značnej miery ovplyvňuje aj nevyhnutnosť tienenia, ktoré bolo tiež variantným riešením (aplikácia vonkajšej žalúzie sa realizovala v okamihu, keď intenzita slnečného žiarenia prekročila hodnotu 200 W/m2).
Posledným faktorom, ktorý sa tu ešte zohľadnil, boli tepelnotechnické parametre obalových konštrukcií budovy (obvodovej steny, plochej strechy a okien) – súčasný stav verzus ich predpokladané zateplenie po úroveň splnenia normových hodnôt súčiniteľa prechodu tepla.
Kombináciou týchto troch premenných veličín vzniklo spolu celkom 20 simulačných modelov, ktoré boli následne aj predmetom celej tejto analýzy. Samotnou energetickou simuláciou sa rovnako zadefinoval aj kritický letný týždeň 17. 8. – 23. 8. (z TRKR pre lokalitu Bratislava – použiteľný aj pre blízku lokalitu budovy tejto nemocnice – Myjava), ktorý sa vyhodnotil ako najteplejší (svojimi zosimulovanými teplotami v zóne) a bol podkladom pre ďalšie simulačné výpočty.
Výsledky priebehu teploty v analyzovanom priestore kritickej miestnosti
Klimatická okrajová podmienka je definovaná predmetným letným týždňom a jeho základné parametre (teplota vzduchu a slnečné žiarenie) sú prezentované v grafe na obr. 6. Výsledky všetkých dynamických energetických simulácií sa graficky spracovali a sú znázornené v grafoch na obr. 7 až 10 (pre hlavný analyzovaný parameter – teploty vnútorného vzduchu).
A – teplovýmenný obal, aktuálny stav – okno s aktívnou žalúziou Teplota vzduchu v miestnosti počas kritického týždňa kolíše v rozpätí približne +24,5 °C až +30,5 °C. V závislosti od intenzity vetrania je denný vzostup teploty od 0,5 do 3,5 K. Celkové prekročenie požadovanej teploty Θai,max = +26 °C až 89,2 % (spriemerované všetky hodnoty čísla vetrania n).
B – teplovýmenný obal, aktuálny stav – okno bez tienenia Teplota vzduchu v miestnosti počas kritického týždňa kolíše v rozpätí približne +24 °C až +32,8 °C. V závislosti od intenzity vetrania je denný vzostup teploty od 1,2 do 4,5 K. Celkové prekročenie požadovanej teploty Θai,max = +26 °C až 97,5 % (spriemerované všetky hodnoty čísla vetrania n).
C – teplovýmenný obal, zateplenie – okno s aktívnou žalúziou Teplota vzduchu v miestnosti počas kritického týždňa kolíše v rozpätí približne +24 °C až +33 °C.
V závislosti od intenzity vetrania je denný vzostup teploty od 0,5 do 3,6 K. Celkové prekročenie požadovanej teploty Θai,max = +26 °C až 83,5 % (spriemerované všetky hodnoty čísla vetrania n).
D – teplovýmenný obal, zateplenie – okno bez tienenia Teplota vzduchu v miestnosti počas kritického týždňa kolíše v rozpätí približne +25,2 °C až +36,2 °C. V závislosti od intenzity vetrania je denný vzostup teploty od 1,0 do 4,0 K. Celkové prekročenie požadovanej teploty Θai,max = +26,0 °C až 96,3 % (spriemerované všetky hodnoty čísla vetrania n).
Tabuľka 2 dokumentuje prehľadnú štatistiku prekročenia kritickej teploty Θai,max,N = +26 °C pre jednotlivé varianty simulačných modelov. Už pri prvom pohľade je zrejmé výrazné prehrievanie priestoru simulovanej nemocničnej izby (s JV orientáciou), podobne ako to už dokladujú graficky aj štyri predchádzajúce grafy na obr. 7 až 10.
Na záver
Aby sme dosiahli požadovanú mieru úspory energie, je potrebné aplikovať úsporné opatrenie pre zateplenie obvodového plášťa, ktorým dosiahneme úsporu približne 36 %. Z hľadiska životnosti budovy a ďalšieho zásahu je však ideálne riešiť komplexne úsporné opatrenia, ktoré zabezpečia podstatne vyššiu úsporu energie, ale aj predĺženie životnosti budovy.
Energetická simulácia skutočne preukázala výrazné prekročenie požiadavky normy STN 73 0540-2, Z1 + Z2, 2019 [2] na najvyššiu dennú teplotu vzduchu v miestnosti v kritickom týždni v letnom období Θai,max, N = +26 °C. V závislosti od variantu riešenia od 47 % až po väčšinových 100 % času (tab. 2).
Príslušná norma STN 73 0540-2, Z1 + Z2, 2019 [2] umožňuje určitú výnimku z tohto kritéria, ale iba do maximálne 10 % tohto času. Rovnako je zrejmé, že je niekoľko parametrov, ktoré toto prehrievanie výrazne ovplyvňujú a môžu ho naozaj výrazným spôsobom ešte viac minimalizovať.
Aj tak je však potrebné na jej splnenie – na základe tejto simulácie – jednoznačne aplikovať v tomto priestore klimatizačné jednotky, zariadenia, prípadne realizovať ešte vyššiu intenzitu jej vetrania (ako je maximálne simulovaných nINF = 2,00 l/h); táto už je výrazne za hranicou ľudského komfortu kvôli značnému prievanu, ale aj hluku.
Najmä v takom veľmi exponovanom priestore, ako sú nemocničné izby s vážne chorými pacientmi. Z výsledkov energetickej simulácie je zrejmé aj to, že zateplenie teplovýmenného obalu pri menšej úrovni vetrania, infiltrácie dokonca zhoršuje tepelnú pohodu vo vnútornom priestore. Od hodnoty intenzity výmeny vzduchu približne nINF = 1,00 až 1,50 l/h sa tento účinok úplne eliminuje.
Literatúra
1. Zákon 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
2. STN 73 0540-2,+Z1+Z2, 2019 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky. Apríl 2019.
3. EnergyPlus 7.2.0 is a whole building energy simulation program that engineers, architects, and researchers use to model both energy consumption – for heating, cooling, ventilation, lighting and plug and process loads and water use in building.
