Námety na efektívnu a udržateľnú obnovu školskej budovy

Slovenská inovačná a energetická agentúra (SIEA) pracuje spolu s maďarským partnerom Energia Ügynökség Közhasznú Nonprofit Kft. na projekte INCI NZEB & EMMA. Ide o projekt financovaný z programu ERDF – INTERREG SLOVAKIA-HUNGARY, ktorého cieľom je nájsť nákladovo efektívne riešenia spĺňajúce požiadavky smernice EP a Rady č. 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov po roku 2020 a zvýšiť inštitucionálnu spoluprácu medzi Slovenskom a Maďarskom ako krajinami, ktoré stoja pred obdobnými výzvami. Súčasťou projektu sú v každej krajine pilotné projekty, SIEA sa rozhodla vybrať existujúcu školskú budovu.

Dôvodom výberu existujúcej školskej budovy do pilotného projektu boli aj skoršie zistenia SIEA, že existujúce školské budovy v správe miest a obcí na Slovensku majú potrebu primárnej energie na úrovni 194 až 231 kWh/(m² . a), čo zodpovedá energetickej triede C, resp. D, a predstavujú tak pomerne vysokú ekonomickú záťaž a veľmi veľkú výzvu na dosiahnutie úrovne výstavby A0, ktorá bude povinná po roku 2020.

Slovenská rada pre zelené budovy (SKGBC) sa zúčastnila na tomto projekte ako spracovateľ Štúdie vzorovej hĺbkovej obnovy školskej budovy (ďalej len „štúdia“). Podkladmi štúdie je 3-poschodová nepodpivničená školská budova postavená koncom 60. rokov 20. storočia podľa typizovaného projektu Krajského projektového ústavu pre bytovú a občiansku výstavbu Bratislava.

Takéto budovy sa v bývalom Západoslovenskom kraji v 60. rokoch  20. storočia stavali bežne a ešte aj v súčasnosti je ich v prevádzke pomerne dosť. Okrem hľadania nákladovo efektívnych opatrení na dosiahnutie úrovne budovy s takmer nulovou potrebou energie (A0) bolo cieľom SKGBC navrhnúť opatrenia, ktoré významným spôsobom zlepšia kvalitu vnútorného prostredia.

Súčasný stav budovy

Realizovaná čiastočná obnova

Školské budovy na Slovensku prešli spravidla aspoň čiastočnou obnovou. Tak to bolo aj v prípade tejto budovy. Najčastejšie išlo o výmenu okien, opravy zatekajúcich striech a netesných odtokov dažďovej vody zo strechy, nezriedka havarijné opravy (buď výmenníkovej stanice, alebo kotolne), inštaláciu termostatických ventilov a výmenu svietidiel.

Tieto čiastkové opatrenia neboli výsledkom podrobnejšieho energetického auditu, realizovali sa podľa naliehavosti jednotlivých opráv a disponibilnosti investičných prostriedkov samosprávy, t. j. bez akejkoľvek dôkladnejšej koncepcie. To sa však samosprávam ani nedá vyčítať, pretože prevažnú časť existencie boli školské budovy majetkom štátu, ktorý ich odovzdal do majetku samospráv s veľkým investičným dlhom.

Stavebné poruchy a sústava vykurovania

SKGBC identifikovala vzniknuté stavebné poruchy a podrobne merala skutočný stav stavebných konštrukcií a parametrov vnútorného prostredia. Identifikovalo sa niekoľko stavebných porúch – odpadávajúca omietka v dôsledku netesných dažďových odtokov, plesne na tepelných mostoch po výmene okien, praskliny v oblasti dilatácií, opakovane zatečené stropy pod strechou a pod.

Napriek inštalácii termostatických ventilov sa na vstupoch do vykurovacích telies nevyskytovali regulačné armatúry (RLV tvarovky) a termostatické ventily boli nainštalované len v triedach a kabinetoch jedného pavilónu budovy. Ostatné vykurovacie telesá mali pôvodné uzatváracie ventily.

Napriek neúplnej inštalácii termostatických ventilov a dvom pavilónom s výrazne odlišnou orientáciou okien (juhozápad vs severovýchod) má existujúca vykurovacia sústava len jeden regulačný uzol s ekvitermickou reguláciou, ktorú však školník ovláda ručne, pretože automatická regulácia nebola nikdy uvedená do prevádzky.

Vnútorné prostredie

Možnosti merania parametrov vnútorného prostredia významne ovplyvnili zmluvné podmienky na vypracovanie štúdie, ktoré určili dodaciu lehotu od konca júna do konca októbra 2018.

Záznamníkmi sa merali priebehy teplôt a vlhkostí vzduchu vo vybraných charakteristických priestoroch a parametre vnútorného prostredia počas vyučovania vo vybraných triedach (vždy počas dvoch vyučovacích hodín sa realizovalo priebežné meranie teploty, rýchlosti prúdenia a vlhkosti vzduchu, výslednej teploty guľového teplomera, koncentrácie CO₂ a parametrov tepelnej pohody PMV a PPD v zmysle STN EN ISO 7730, resp. STN EN ISO 7726, a to každých 10 sekúnd).

Výsledky ukazujú, že sa interiéry tried po výmene okien prehrievajú, najmä v pavilóne, na ktorom sa zateplila strecha. Napriek tomu, že vonkajšia teplota bola v sledovanom období viac než 85 % času nižšia ako 25 °C, teplota vnútorného vzduchu v kritických priestoroch bola viac než 90 % času vyššia ako 26 °C. Kritickými priestormi boli najvyššie a druhé najvyššie podlažie pavilónu učební s orientáciou okien na juhozápad.

Vzhľadom na vysoké slnečné zisky v dôsledku absencie energeticky efektívneho tienenia presiahlo zvýšenie priemernej vnútornej teploty počas sledovaného obdobia oproti priemernej vonkajšej teplote 8 °C (obr. 2). Dokonca aj maximálne vnútorné teploty boli v sledovanom období v kritických priestoroch vyššie než maximálne vonkajšie teploty.

Teploty vnútorného vzduchu sa bežne dostávali mimo optimálneho intervalu pre triedu práce 1a a boli často vyššie než maximálna prípustná operatívna teplota podľa Tabuľky č. 1 Prílohy č. 2 vyhlášky MZ SR č. 99/2016 Z. z., takže zamestnávateľ by mal prijímať opatrenia na zníženie tepelného stresu.

Meranie koncentrácie CO₂ vo vnútornom vzduchu počas vyučovania preukázalo, že pri zatvorených oknách presiahne táto hodnota bez núteného vetrania v priebehu dvoch vyučovacích hodín 2 400 ppm (obr. 3), pričom podľa odbornej praxe už pri koncentrácii nad 1 200 ppm môže dochádzať k poruchám koncentrácie a výkonnosti.

V tom istom čase presiahne predpokladané percento nespokojných s tepelným stavom prostredia (PPD) 25 % (obr. 3), čo je mimo kategórií hodnotenia normy STN EN ISO 7730. V dôsledku vzájomného osálania žiakov je operatívna teplota prinajmenšom o 0,3 K vyššia než teplota vnútorného vzduchu (obr. 4).

Overenie úrovne osvetlenosti v priestoroch školy ukázalo, že z 18 meraných miestností vyhoveli požiadavkám len štyri, a to aj napriek čiastočnej obnove osvetľovacej sústavy. Všetky tieto zistenia potvrdzujú, že kvalita vnútorného prostredia v škole nezodpovedá požiadavkám na zdravé a produktívne prostredie. Úroveň osvetlenosti bola často až 3-krát nižšia, než požadujú predpisy.

Stavebné konštrukcie

Aj keď sa strecha nad pavilónom učební pri odstraňovaní zatekania zateplila, zistený súčiniteľ U_{in situ} = 0,19 W/(m² .K) je takmer o 27 % horší než normalizovaná hodnota U_r1 = 0,15 W/(m² .K) platná od 1. 1. 2016. V prípade nezateplenej pôvodnej strechy len s novou hydroizoláciou sa zistil súčiniteľ
U_{in situ}= 0,60 W/(m² .K), čo je 4-krát horšia hodnota, než požaduje STN 73 0540-2/Z1.

Obvodové steny majú medzi murovanými stĺpmi niky na vykurovacie telesá, ktoré znižujú ich tepelnoizolačné vlastnosti. Zistený súčiniteľ U_{in situ} = 1,95 W/(m² .K), čo je takmer 9-krát horšia hodnota, než akú predstavuje normalizovaná hodnota U_r1 = 0,22 W/(m² .K) platná od 1. 1. 2016.

Aj štítové steny v plnom profile (murivo z tehly voštinovej s hrúbkou 375 mm) majú súčiniteľ U_{in situ} = 1,04 W/(m² .K), čo je hodnota takmer 5-krát horšia, než akú požaduje STN 73 0540-2/Z1. Výsledkom vlastností stavebných konštrukcií a existujúcej sústavy vykurovania je celková potreba energie na prevádzku budovy 217,06 kWh/(m² . a), čo zodpovedá zatriedeniu do druhej najhoršej energetickej triedy F.

Navrhované opatrenia

Nevyhovujúce vnútorné prostredie v školskej budove spôsobilo dilemu, ako hodnotiť prínosy navrhovaných opatrení, obzvlášť takých, ktoré prinášajú výrazné zlepšenie vnútorného prostredia. Aby sa splnili hygienické požiadavky, t. j. zvýšenie výmeny vzduchu, odvod tepelnej záťaže a zvýšenie úrovne osvetlenosti, mali by sa inštalovať dodatočné technické zariadenia s im prislúchajúcou investičnou a prevádzkovou náročnosťou.

V energetickom audite sa táto dilema vyriešila tak, že sa opatrenia s efektom zlepšenia vnútorného prostredia alternatívne porovnávali aj so stavom, keď by sa inštalovali dodatočné technické zariadenia, ktoré by zlepšili nevyhovujúce vnútorné prostredie rovnakou mierou (napr. klimatizačné jednotky, doplnenie svietidiel rovnakého typu ako existujúce a pod.).

V prípade školských budov to považujeme za primeraný prístup, pretože nejde o komerčné, resp. výrobné priestory, kde sa dá zamerať len na ekonomickú návratnosť. Myslíme si, že zdravie žiakov a pedagógov a efektívnosť/produktívnosť vzdelávacieho procesu by mali mať prednosť pred čisto ekonomickými úvahami.

Ďalej budeme prezentovať prínosy navrhovaných opatrení z vyššie uvedeného pohľadu, aj keď energetický audit obsahuje aj ich čisto ekonomicko-technické hodnotenie. Výsledkom bolo odporučenie týchto opatrení:

• zvýšiť tepelnú ochranu tých obalových konštrukcií, ktoré ešte neboli zateplené (zateplenie strechy a obvodových stien) na úrovne požadované v zmysle STN 73 0540-2/Z1,
• vytvoriť dva ekvitermické regulačné uzly s automatickou reguláciou s cieľom regulácie teploty na výstupe vykurovania podľa orientácie tried na svetové strany (časť tried má orientáciu okien na juhozápad a časť na severovýchod) a doplniť termostatické ventily a RLV tvarovky na nastavenie prietokov pre každé vykurovacie teleso osobitne,
• inštalovať vetracie jednotky s rekuperáciou na zlepšenie výmeny vzduchu a spätné získavanie energie z odvádzaného vzduchu, resp. v mesiacoch apríl, máj, jún a september na odvod tepelných ziskov,
• rekonštruovať osvetľovaciu sústavu v duchu spracovanej svetlotechnickej štúdie na dodržanie požiadaviek na úroveň osvetlenosti,
• inštalovať tieniace prvky na okná juhozápadnej orientácie na zníženie tepelnej záťaže,
• inštalovať extenzívnu vegetačnú strechu s ľahkou konštrukciou na ochladzovanie odparovaním zadržanej vlhkosti,
• inštalovať FV panely s orientáciou na juh a sklonom 55° od horizontály v on-grid systéme s obmedzením prebytkov (prednostne pohon vetracích jednotiek s rekuperáciou a prebytky na prípravu teplej vody).

Týmto spôsobom sa podarí znížiť spotrebu energie takmer o 62 % (obr. 5) a náklady na energetické vstupy takmer o 55 % (obr. 6). Vďaka tomu, že budova je pripojená na zdroj CZT s nízkym faktorom primárnej energie (f_p-CZT = 0,22) môže byť zatriedená do energetickej triedy A0.

Ak by sa počítalo so zdrojom CZT na zemný plyn, pri hodnotení podľa primárnej energie by sa budova dostala z energetickej triedy E do energetickej triedy B. Celková potreba energie sa zníži z pôvodných 217,06 kWh/(m².a) na 54,34 kWh/(m².a), čo zodpovedá zlepšeniu zatriedenia z energetickej triedy F do energetickej triedy B a predstavuje takmer 4-násobné zníženie.

Súborom opatrení s investíciou takmer 498-tisíc eur sa podarí znížiť ročné náklady na energetické vstupy o viac než 19-tisíc eur (obr. 6), celkové prevádzkové náklady o viac než 25-tisíc eur (obr. 7) a hlavne výrazným spôsobom skvalitniť vnútorné prostredie, ktoré sa stane zdravým a produktívnym.

Jednoduchá návratnosť súboru opatrení je menej než 20 rokov, reálna návratnosť pri diskontnom faktore 3 % menej než 31 rokov a vnútorné výnosové percento IRR = 4,04 %. Zohľadnenie efektu zlepšenia vnútorného prostredia „poprehadzovalo“ poradie opatrení podľa ekonomickej efektívnosti (EUR_úspory/EUR_náklady).

Podľa tohto prístupu sa pred opatrenia na zvýšenie tepelnej ochrany a účinnosti techniky prostredia dostáva inštalácia tieniacich prvkov, rekonštrukcia osvetľovacej sústavy, inštalácia fotovoltických panelov a vegetačná strecha (obr. 8).

Bez zohľadnenia efektu zlepšenia vnútorného prostredia sú vegetačná strecha a inštalácia tieniacich prvkov nenávratné a reálna návratnosť rekonštrukcie osvetľovacej sústavy sa predĺži z menej než 15 na menej než 24 rokov.

Záver

Stručne sme predstavili Štúdiu vzorovej hĺbkovej obnovy školskej budovy projektu INCI NZEB & EMMA. Samotná štúdia obsahuje ďaleko viac podrobností vrátane svetlotechnickej štúdie (ako riešiť osvetlenie tried s modernými LED svietidlami) a modelov financovania podobných projektov. Držiteľom licencie (copyrightu) na štúdiu je Slovenská inovačná a energetická agentúra, autorom je Slovenská rada pre zelené budovy.

V štúdii sme predstavili aj nový prístup k hodnoteniu úsporných opatrení, ktorý pri opatreniach s výrazným vplyvom na zlepšenie nevyhovujúceho vnútorného prostredia zavádza porovnávanie so stavom, keď by sa zlepšenie nevyhovujúceho stavu dosiahlo dodatočnými technickými zariadeniami. Veríme, že toto všetko môže slúžiť ako dobrý námet pri navrhovaní obnovy školských budov v budúcnosti.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 1/2019.