Možnosti dosiahnutia takmer nulovej potreby energie pri komplexne obnovených budovách

Po roku 2020 máme stavať budovy s takmer nulovou potrebou energie. Aby sme túto úroveň výstavby dosiahli, postupne sa sprísňujú požiadavky na tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií budov a na podiel obnoviteľných zdrojov energie na dodanej energii. Od januára tohto roka prechádzame na ultranízkoenergetickú úroveň výstavby, čo znamená, že postavená budova má byť pri energetickej certifikácii zatriedená do energetickej triedy A1.

Od januára 2021 musia všetky nové budovy dosiahnuť úroveň výstavby s takmer nulovou potrebou energie, čo znamená, že budova má byť zatriedená do energetickej triedy A0. Príspevok prezentuje na konkrétnych príkladoch možnosti dosiahnutia ultranízkoenergetickej, resp. takmer nulovej potreby energie pri niektorých kategóriách budov, a to najmä pomocou vysokej úrovne tepelnej izolácie a využitia obnoviteľných zdrojov energie.

Požiadavky na zvyšovanie energetickej hospodárnosti v budúcnosti

Podobne ako v ostatných členských krajinách EÚ, aj na Slovensku sa vypracoval Národný plán na zvyšovanie počtu budov s takmer nulovou potrebou energie [1], ktorý má zabezpečiť, aby nová výstavba po roku 2020 bola v požadovanom štandarde. Takmer nulové alebo malé množstvo energie potrebné na užívanie budovy sa musí zabezpečiť efektívnou tepelnou ochranou a vo vysokej miere energiou dodanou z obnoviteľných zdrojov nachádzajúcich sa v budove alebo v jej blízkosti.

Minimálna požiadavka na energetickú hospodárnosť je určená hornou hranicou energetickej triedy A1 pre primárnu energiu. Zároveň sa rapídne znižuje maximálna merná potreba tepla na vykurovanie (tab. 1).
Výpočet energetickej hospodárnosti budov sa riadi vyhláškou MDVRR SR č. 364/2012 Z. z. [2]. V súčasnosti sa pripravuje novela tejto vyhlášky.

V súvislosti so zvyšovaním požiadaviek na energetickú hospodárnosť budov sa v novelizovanej vyhláške budú upravovať aj niektoré kritériá používané pri energetickej certifikácii budov. Ide najmä o škálu energetických tried pre vykurovanie (tab. 2), prípravu teplej vody (tab. 3), globálny ukazovateľ – primárna energia (tab. 4) a transformačné a prepočítavacie faktory účinnosti výroby a distribúcie tepla, emisií oxidu uhličitého, primárnej energie a hodnoty výhrevnosti palív (tab. 5).

Opis vybraných hodnotených budov

V súčasnosti už na Slovensku existujú projekty obnovy bytových domov na takmer nulovú energetickú úroveň, ktoré sa stali súčasťou projektu EU GUGLE [3]. Skúsenosti s obnovou bytového domu s takmer nulovou energetickou potrebou na Slovensku sú opísané v [4]. Hodnotenie návrhu obnovy vybraných budov, ktoré je predmetom tohto článku, sa vykonalo v rámci projektu zameraného na obnovu existujúcich budov [5]. Návrh obnovy sa uskutočnil v rámci niekoľkých kategórií budov – rodinný dom, bytový dom, administratívna budova a základná škola.

Rodinný dom
Rodinný dom má jedno podzemné a jedno nadzemné podlažie. Počítalo sa s návrhovým teplotným spádom vykurovacieho systému 45/35 °C a dvomi alternatívami obnovy:

1. vykurovanie na biomasu (drevené peletky), príprava teplej vody solárnym systémom s trubicovými kolektormi s plochou 2 m² a zásobníkom teplej vody s objemom 200 l (v zimných mesiacoch možnosť dohrevu z kotla na biomasu),
2. vykurovanie a príprava teplej vody tepelným čerpadlom vzduch – voda so záložnou elektrickou špirálou 3 kW.

V alternatíve 1 sa zaviedli tieto predpoklady: príprava teplej vody sa uskutočňuje len v kotle, resp. solárnou zostavou, nie elektrickou špirálou; sklon solárnych kolektorov je 45°; vlastná potreba energie obehového čerpadla pre solárnu zostavu, ako aj tepelné straty z rozvodov medzi kolektormi a zásobníkom sa zanedbali; tepelné straty z rozvodov vykurovania v podzemnom podlaží sa zanedbali; teplota odberanej teplej vody v zásobníku je 55 °C.

V alternatíve 2 sa zaviedli tieto predpoklady: priemerná teplota vykurovacej vody v zásobníku je 30 °C; odovzdávacím prvkom sú vykurovacie telesá; priemerne 80 % teplej vody sa pripravuje tepelným čerpadlom a zvyšných 20 % sa pripravuje pomocou elektrickej špirály; výkonové číslo odhadnuté na základe technických podkladov je priemerne 4,4 pri vykurovaní a 5,0 pri príprave teplej vody; tepelné straty z rozvodov vykurovania v podzemnom podlaží sa zanedbali; teplota odberanej teplej vody v zásobníku je 55 °C.

Bytový dom
Osempodlažný bytový dom bol pôvodne napojený na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Nové riešenie spočíva v návrhu tepelných čerpadiel vzduch – voda, ktoré budú umiestnené na 1. NP budovy. Hlavným zdrojom tepla bude štvorica kompresorových tepelných čerpadiel systému vzduch – voda. Doplnkovými a záložnými zdrojmi tepla budú elektrické výhrevné vložky na zabudovanie do akumulátora vykurovacej vody s objemom 1 000 l. Počítalo sa s návrhovým teplotným spádom vykurovacieho systému 45/35 °C.

Tepelné čerpadlá sú zapojené do kaskády, pričom každé bude môcť pracovať v režime vykurovania alebo prípravy teplej vody. Na prípravu teplej vody je navrhnutý zásobník s objemom 1 000 l. Rozvody vykurovania aj teplej vody zostanú po dôkladnej novej tepelnej izolácii pôvodné. V bytovom dome sa predpokladá rekuperácia tepla s účinnosťou 80 % a využitie fotovoltiky, a to najmä pri príprave teplej vody a na pohon tepelných čerpadiel. Výkon fotovoltiky na streche je 10 kWp s celkovou produkciou elektrickej energie vyššou ako 10 000 kWh.

Pri výpočte sa zaviedli tieto predpoklady: obehové čerpadlá medzi tepelnými čerpadlami a akumulačnou nádobou sa v bilancii zanedbali; priemerná teplota vykurovacej vody v zásobníku je 35 °C; odovzdávacím prvkom sú vykurovacie telesá; priemerná teplota teplej vody v rúrkach je 57,5 °C, rúrky sú z plasthliníka; ako spätne získateľné sa počítajú len straty z rozvodov teplej vody v bytoch; výkonové číslo tepelných čerpadiel je ako v prípade rodinného domu; v rámci vykurovania je 80 % energie pokrytej z tepelných čerpadiel a 20 % z výhrevných vložiek; v rámci prípravy teplej vody je 70 % energie pokrytej z tepelných čerpadiel a 30 % z elektrickej špirály; počíta sa s príkonom cirkulačného čerpadla teplej vody 90 W.

Administratívna budova
V administratívnej budove je zdrojom tepla na vykurovanie kotolňa, ktorá sa nachádza na pozemku. Počítalo sa s návrhovým teplotným spádom vykurovacieho systému 45/35 °C. Navrhujú sa tepelné čerpadlá voda – voda, keďže stavebník má na pozemku areálu studne. Doplnkovými a záložnými zdrojmi tepla budú rovnaké zariadenia ako v bytovom dome. Predpokladá sa rekuperácia tepla s účinnosťou 80 % a využitie fotovoltiky na podporu vykurovania.

Nová technológia bude napojená na existujúci rozvod. Teplá voda sa pripravuje v elektrických prietokových ohrievačoch a v jednom malom zásobníku. V budove sa navrhla aj vzduchotechnika s ohrevom, resp. chladením vetracieho vzduchu.

Pri výpočte sa zaviedli tieto predpoklady: v bilancii sa zanedbali straty tepla z rozvodu od prietokových ohrievačov a od zásobníkových ohrievačov k výtokovým armatúram; odovzdávacím prvkom sú fan-coily; tepelné straty z prietokových ani zo zásobníkových ohrievačov sa nezapočítali ako spätne získateľné pri vykurovaní; výkonové číslo tepelných čerpadiel je ako v prípade rodinného a bytového domu; 80 % potreby energie na vykurovanie sa pokryje z tepelných čerpadiel, zvyšok sa pokryje ohrevnými vložkami z fotovoltiky alebo z verejnej elektrickej siete.

Základná škola
Vykurovací systém je v súčasnosti napojený na kotly na biomasu, ktoré sa nachádzajú na 1. NP. Počítalo sa s návrhovým teplotným spádom vykurovacieho systému 45/35 °C. Teplá voda sa pripravuje ústredne v kotolni. Nové riešenie pozostáva z návrhu štvorice tepelných čerpadiel vzduch – voda, ktoré budú situované v priestoroch súčasnej kotolne. Nové rozvody sa napoja na pôvodný vykurovací systém. Predpokladá sa rekuperácia tepla s účinnosťou 80 %. Teplá voda sa bude pripravovať lokálne v miestach jej spotreby. V budove sa navrhla aj vzduchotechnika s ohrevom, resp. chladením vetracieho vzduchu.
Pri výpočte sa zaviedli tieto predpoklady: v bilancii sa zanedbali straty tepla z rozvodu od prietokových ohrievačov a od zásobníkových ohrievačov k výtokovým armatúram; odovzdávacím prvkom sú vykurovacie telesá; tepelné straty z prietokových ani zo zásobníkových ohrievačov sa nezapočítali ako spätne získateľné pri vykurovaní; výkonové číslo tepelných čerpadiel je ako v predošlých prípadoch; 80 % potreby energie na vykurovanie sa pokryje z tepelných čerpadiel, zvyšok sa pokryje ohrevnými vložkami.

Výsledky hodnotenia

Výsledky hodnotenia sú prezentované v tabelárnej forme zvlášť pre potrebu tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody a zvlášť pre primárnu energiu a emisie CO₂.

Potreba energie na vykurovanie a prípravu teplej vody
Výsledky potreby energie na vykurovanie a prípravu teplej vody sú uvedené v tab. 6, a to pre rodinný dom (v dvoch alternatívach), bytový dom, administratívnu budovu a školu. Výsledky potreby energie možno porovnať s požadovanými hraničnými hodnotami pre jednotlivé energetické triedy uvedené v tab. 2 pre vykurovanie a v tab. 3 pre prípravu teplej vody. V tab. 6 a 7 sú použité tieto skratky: RD – rodinný dom, BD – bytový dom, AB – administratívna budova, TČ – tepelné čerpadlo, VYK – vykurovanie, TV – príprava teplej vody.

Primárna energia a emisie CO₂
Výsledky primárnej energie a emisií CO₂ sú uvedené v tab. 7, a to obdobne pre rodinný dom v dvoch alternatívach, pre bytový dom, administratívnu budovu a školu. Výsledky primárnej energie pri rodinnom a bytovom dome možno porovnať s požadovanými hraničnými hodnotami v rámci jednotlivých energetických tried uvedených v tab. 4 pre globálny ukazovateľ (primárna energia). Výsledky pri administratívnej budove a škole nemožno porovnať s hraničnými hodnotami v tab. 4, pretože výsledky uvedené v tab. 7 nezahŕňajú energiu na vetranie a chladenie a na osvetlenie. Výpočet primárnej energie a emisií CO₂ sa vykonal s použitím faktorov primárnej energie a faktorov emisií CO₂ podľa platnej vyhlášky [2], ako aj s použitím faktorov podľa pripravovanej vyhlášky. To umožňuje kvantifikovať vplyv zmeny faktorov primárnej energie a emisií CO₂ pre elektrickú energiu v novej vyhláške na hodnotu primárnej energie a emisií CO₂.

Diskusia a záver

Pri porovnaní potreby energie v tab. 6 s hraničnými hodnotami potreby energie na vykurovanie v tab. 2, resp. na prípravu teplej vody v tab. 3 možno konštatovať, že výsledky sú pri rôznych hodnotených objektoch a alternatívach rôznorodé. Zatiaľ čo z hľadiska vykurovania spĺňa rodinný dom podmienky na zatriedenie do energetickej triedy B, bytový dom možno zatriediť do energetickej triedy A, administratívnu budovu do energetickej triedy A a školu do energetickej triedy C.

Merné tepelné straty zo systému vykurovania sú pomerne nízke a rozhodujúcim faktorom je jednoznačne potreba tepla na vykurovanie. V prípade potreby energie na prípravu teplej vody možno rodinný dom zatriediť do energetickej triedy B, bytový dom do energetickej triedy C, administratívnu budovu do energetickej triedy B a školu do energetickej triedy B. Okrem tepelných strát zo systému prípravy teplej vody je rozhodujúcim faktorom potreba tepla; pri uvažovaní potreby tepla na prípravu teplej vody a zanedbaní obnoviteľných zdrojov energie pri výpočte potreby energie tak, ako odporúča vyhláška MDVRR SR č. 364/2012 Z. z. [2], je dosiahnutie energetickej triedy A prakticky nemožné.

V prípade zatriedenia do energetickej triedy podľa primárnej energie má veľmi významný vplyv faktor primárnej energie. To možno vidieť na výsledkoch primárnej energie pri dvoch alternatívach pre rodinný dom. Pri rovnakej potrebe energie možno pri použití kotla na peletky a solárnych kolektorov budovu jednoznačne zatriediť do energetickej triedy A0. Na druhej strane, pri použití tepelného čerpadla ako zdroja tepla pre ten istý rodinný dom možno budovu zatriediť do energetickej triedy A1, a to napriek využitiu tepelného čerpadla s priaznivou hodnotou výkonového čísla uvažovanou vo výpočte.

Tento rozdiel vznikol v dôsledku obrovského rozdielu faktorov primárnej energie pre peletky a elektrickú energiu. Z tab. 7 je zrejmé, že zníženie faktora primárnej energie pre elektrickú energiu na nižšiu hodnotu, ako sa navrhuje v novele vyhlášky [2], významne zníži hodnotu primárnej energie v prípade, keď je zdrojom tepla tepelné čerpadlo, resp. doplnkový zdroj tepla využívajúci elektrickú energiu.

Literatúra
1.    Národný plán na zvyšovanie počtu budov s takmer nulovou potrebou energie.
2.    Vyhláška MDVRR SR č. 364/2012 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov v znení neskorších predpisov.
3.    Sternová, Z.: Požiadavky na obnovu budov v úrovni ultranízkoenergetickej  výstavby aplikované pri obnove bytového domu v rámci projektu EU-GUGLE. In: Zborník z 23. Odbornej konferencie Obnova budov ultranízkoenergetickej úrovni výstavby. Coneco 2016.
4.    Služanič, R.: Hĺbková obnova bytového domu P. Horova 17, 19 z pohľadu                                                       vlastníkov bytov – od zámeru po užívanie. In: Zborník z 23. Odbornej konferencie Obnova budov v ultranízkoenergetickej úrovni výstavby, Coneco 2016.
5.    Vzorové príklady pre vybrané kategórie budov s takmer nulovou potrebou energie (úloha výskumu a vývoja MDVRR SR). 4. Etapa Vzorové riešenia budov s takmer nulovou potrebou energie vybraných kategórií (rodinné domy, bytové domy, administratívne budovy, školy – TSÚS Bratislava).
6.    Krajčík, M. – Petráš, D.: Energetické hodnotenie budov. Bratislava:  Vydavateľstvo STU, 2015.
7.    Stratégia EÚ týkajúca sa vykurovania a chladenia, verzia zo 16. 02. 2016, COM(2016) 51 final.

Text: prof. Ing. Jaroslav Valášek, PhD., doc. Ing. Michal Krajčík, PhD.
Jaroslav Valášek pôsobí v spoločnosti LTA consult, s. r. o. Michal Krajčík pôsobí na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Foto: isifa/Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2016.