Energetická hospodárnost obnovené základní školy

Spotřeba energie při provozu obnovené Základní školy v Lietavské Lúčce, která využívá obnovitelné zdroje energie, byla analyzována podle spotřeby zemního plynu a elektrické energie a podle údajů z měřičů tržních dodavatelů energie z let 2006 až 2012.

 Pilotní projekt obnovy Základní školy v Lietavské Lúčce [1] kladl důraz na progresivnost řešení, úsporu energie a využití obnovitelných zdrojů energie. Projekt podpořilo bývalé Ministerstvo výstavby a regionálního rozvoje SR. Za základní zásady řešení byly zvoleny:

• nadstandardní tepelněizolační vlastnosti stavebních konstrukcí (obr. 1 a 2);
• diverzifikace zdrojů energie (sluneční, elektrická energie, zemní plyn, energie prostředí);
• minimalizace energetických ztrát větráním (větrací systém s rekuperací).

Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí po obnově jsou uvedeny v tabulce 1. K obnově obvodových stavebních konstrukcí byl jako dodatečná tepelná izolace použit šedý expandovaný pěnový polystyren EPS Neopor. Stěny byly zatepleny tepelnou izolací s tloušťkou 140 mm. K zateplení střešní konstrukce byla použita tepelná izolace s tloušťkou 300 mm.

Zásobování ZŠ energií
Budova je zásobovaná energií dodávanou tržními dodavateli a energií získanou z obnovitelných zdrojů:

• solární kolektory (30 ks) s absorpční plochou 69,6 m²;
• tepelné čerpadlo voda – voda, celkem 10 zemních vrtů;
• kondenzační plynové kotle s tepelným příkonem 3 × 49 kW;
• systém kontrolovaného větrání.

Instalovaná vzduchotechnická jednotka má vysoce účinný systém zpětného získávání tepla, přičemž deklarovaná hodnota účinnosti je 80 %. Zařízení umožňuje:

• proměnlivý průtok vzduchu,
• provoz řízený časovým programem,
• útlumový režim mimo provozní hodiny,
• úsporu (předpoklad) elektrické energie a tepla na ohřev vzduchu.

Určujícím faktorem pro provoz zařízení TZB, která používají elektrickou energii, je její cena a tarif. Zásadním postojem provozovatele ZŠ je snížit poplatek za elektrickou energii. Proto se systémy techniky prostředí provozují jen při nízkém tarifu. Nízký tarif je v době (tepelné čerpadlo se provozuje jen v době nízkého tarifu):

• pondělí až pátek od 00.00 do 9.05 hod., od 10.05 do 12.15 hod., od 13.15 do 16.05 hod., od 17.05 do 19.35 hod., od 20.35 do 24.00;
• sobota a neděle od 00.00 do 2.45 hod., od 3.45 do 10.00 hod., od 11.30 do 15.20 hod., od 16.50 do 24.00 hod.
• Vzduchotechnika (bez ohřívače, jen rekuperátor) se provozuje jen v době nízkého tarifu a podle časového programu, ale jen pokud není dosaženo požadované kvality vzduchu. Kvalita vzduchu se kontroluje zabudovanými snímači koncentrace oxidu uhličitého v odváděném vzduchu. Časový program vzduchotechniky je tento:
• pondělí až pátek od 7.00 do 9.00 hod., od 10.15 do 12.00 hod., od 13.30 do 15.05 hod., od 17.30 do 19.00 hod., od 20.45 do 22.00 hod.

Vzduchotechnické zařízení je provozováno přerušovaným způsobem, což může ovlivnit kvalitu vnitřního vzduchu v době přerušení provozu. Větrací systém zabezpečuje kvantitativní a kvalitativní kritéria při dodávce čerstvého vzduchu do upravovaných prostorů. Kvantitativní ukazatele jsou dány při navrhování a dimenzování tohoto systému, v jehož případě se uvažovalo o následujících parametrech. Navržený systém větrání objektu je vybavený vysoce účinným zpětným získáváním tepla schopným ohřát přiváděný vzduch odpadním teplem z odsávaného vzduchu na teplotu +16 °C bez dohřevu. Projektant uvažoval, že dohřev přiváděného vzduchu není potřebný a že se bude kompenzovat zvýšeným výkonem existujících vytápěcích těles. Přídavný zdroj na ohřev vzduchu není instalován. Potřebný tepelný výkon větracího zařízení byl dimenzován na 20 kW.
Spotřeba elektrické energie na provoz vzduchotechnického zařízení je nízká v porovnání s jinými odběry elektrické energie. Je to dáno především časovým programem, který zabezpečuje činnost větracího zařízení jen v době nízkého tarifu. V době vysokého tarifu větrací zařízení není v provozu. Jde tedy o provoz vzduchotechniky bez ohřívače, funkční je jen rekuperátor v době nízkého tarifu a jen tehdy, když není dosaženo požadované kvality vzduchu 800 ppm. Kvalita vzduchu se přitom pohybuje v rozpětí od 600 do 1 200 ppm, což představuje třídu kvality vzduchu v 2. a 3. kategorii podle STN EN 15251. Podle záznamů z činnosti vzduchotechniky kvalita neklesla do 4. třídy, která se považuje za kvalitu mimo parametry a mohla by se tolerovat jen omezenou část roku. Kvalita vzduchu je podle záznamů samotného vzduchotechnického zařízení akceptovatelná a energeticky nenáročná. Subjektivní hodnocení žáků a učitelek však udávala 25procentní nespokojnost s větracím systémem. Subjekty pociťovaly mírnou nepohodu způsobenou studeným vzduchem padajícím na hlavy žáků, kteří mluvili o pocitu víření vzduchu a někdy i provívání (vánku) ve vlasech. Na obr. 3 je znázorněna koncentrace oxidu uhličitého během vyučování ve třech třídách ZŠ.

Obr. 3  Koncentrace oxidu uhličitého v ppm v učebnách během vyučování

Vyhodnocení spotřeby energie podle energetických nosičů
Dokladování údajů o spotřebě energie se zakládá na údajích naměřených během provozu. Uváděné spotřeby energie z různých míst jsou evidovány na měřičích tržních dodavatelů energie:

• spotřeba zemního plynu v m³ nebo v kWh;
• spotřeba elektrické energie v kWh.

V rámci analýzy spotřeby energie se porovnávaly jednotlivé roky a stav budovy v těchto letech. Hlavním cílem bylo zjistit, zda byly porovnávány srovnatelné údaje. Vzhledem k měnící se situaci v systémech TZB se tento stav v minulosti vždy nedodržel. Budova měla totiž ještě v provozu staré atmosférické kotle až do roku 2006 a nové plynové kondenzační kotle se začaly používat v roce 2007. Tato změna zdroje tepla vůbec nesouvisela s pilotním projektem obnovy ZŠ. Úpravy systémů TZB a stavebních konstrukcí byly realizovány průběžně, a proto jednoduché porovnávání jednotlivých roků vyžaduje vysvětlení, co se vlastně porovnává. Do roku 2006 byly nainstalovány staré atmosférické kotle. Můžeme předpokládat, že jde o typickou situaci, v níž by se mohlo nacházet více základních škol na Slovensku. V roce 2007 byly nainstalovány nové kotle bez souvislosti s projektem obnovy ZŠ, a to v rámci pilotního projektu MVRR SR. Zvýšila se účinnost zdroje tepla a změnila se spotřeba energie: jednak plynu, jednak celková spotřeba energie. Dalším faktorem je fenomén oken. Okna byla vyměněna ještě před celkovou obnovou ZŠ, tedy před začátkem prací na pilotním projektu. Během řešení pilotního projektu bylo konstatováno, že existující stav oken vyhovuje požadavkům STN 73 0540: 2002 a bylo by už neekonomické je znovu měnit za nová a lepší. Tedy v historii spotřeby energie za roky 2008 až 2009 se už odrazila výměna oken, ačkoliv budova ještě nebyla komplexně obnovena. Tento problém se nejvíce projevuje při vyjádření procentuálního šetření energií pro jednoduché manažerské a vyhodnocovací údaje. Východisko z této nejednoznačné porovnávací situace by mohla představovat následující úvaha. Technický stav budovy ZŠ se měnil a podrobný popis jednotlivých změn stavebních konstrukcí a TZB a jejich vliv na provozní hodnoty spotřeby se nedá jednoznačně exaktně vyjádřit. To, co je však jednoznačné, jsou spotřeby energie, které se objeví na fakturačních měřidlech tržních dodavatelů energie. Proto je nejvhodnější dokumentovat energetické hodnocení podle údajů o spotřebě elektrické energie a plynu v jednotlivých letech provozu po kolaudaci ZŠ, a to od roku 2006 (tab. 2). Vyhodnocený a dokumentovaný je provoz ZŠ v letech 2010, 2011 a 2012.

Spotřeba zemního plynu klesla z úrovně roků 2006 a 2007 z hodnot 38 až 24 tisíc m³ na úroveň 5 až 1,5 tisíce m³ v letech 2011 a 2012. Zároveň se zvýšila spotřeba elektrické energie z úrovně let 2006 a 2007 z hodnot 3 až 4 tisíc kWh na úroveň 38 až 42 tisíc kWh. Celková spotřeba plynu a elektrické energie klesla. A klesla velmi významně. V letech 2006 a 2007 byla celková spotřeba energie na úrovni 260 až 404 tisíc kWh. V roce 2012 a v letech 2010 a 2011 to bylo jen 54 až 96 tisíc kWh (obr. 4).

Obr. 4  Snížení spotřeby zemního plynu a zvýšení spotřeby elektrické energie

Potřeba energie
Potřeba energie je součtem potřeb energie jednotlivých míst spotřeby. V celkové potřebě energie je zahrnuta energie potřebná na vytápění, přípravu teplé vody, větrání, osvětlení a užívání budovy. V této hodnotě je tedy zahrnuta i potřeba elektrické energie na provoz počítačových učeben. Čili jde o celkovou elektrickou energii potřebnou na provoz budovy. O této položce se při energetické certifikaci budov obvykle neuvažuje. Při údajích naměřených během provozu se však nedá oddělit, nejsou-li k dispozici podružné měřiče elektrické energie. Tedy se s ní počítá. Ukazatel potřeby energie v kWh/(m² . a) z údajů naměřených během provozu ZŠ v Lie­tavské Lúčce je na základě neupravovaných údajů z provozu v letech 2010 až 2012 v rozsahu od 25,3 až do 44,8 kWh/(m² . a) (obr. 5).

Obr. 5  Potřeba energie porovnávaná vzhledem k roku 2006

Primární energie
Úspory vyjádřené prostřednictvím primární energie na obr. 6 jsou nižší než při použití celkové potřeby energie. Je to způsobeno:

• vyššími primárním energetickým faktorem pro elektrickou energii v SR;
• vyšším podílem elektrické energie na celkové spotřebě v budovách s moderními systémy TZB (tepelná čerpadla, větrání s rekuperací apod.).

Úspory vyjádřené přes primární energii se pohybují v rozpětí od 61 do 72 % v porovnání s rokem 2006.

Obr. 6 Primární energie porovnaná se spotřebou v roce 2006

TEXT: prof. Ing. Ivan Chmúrny, Ph.D.
OBRÁZKY a FOTO: archiv autora
Autor působí na Katedře konstrukcí pozemních staveb Stavební fakulty STU v Bratislavě.Recenzoval: doc. Ing. Ján Takács, Ph.D.

Poděkování: Tato práce byla podpořena MDVRR SR úkolem výzkumu a vývoje č. 79/550/2010 a MŠ SR projektem VEGA č. 1/0281/12.

Literatura
1. Puškár, A. – Hraška, J. – Žilinský, J. – Macháč, K. a kol.: Obnova budov základných škôl. Prípadová štúdia. Bratislava: MVRR SR, 2008.
2. Puškár, A. – Chmúrny, I. – Hraška, J. – Konkoľ, R.: Teoreticko-experimentálne vyhodnotenie realizovaných pilotných projektov: Pilotný projekt pre rekonštrukciu školy na nízkoenergetickú budovu a pilotný projekt na výstavbu nízkoenergetického bytového domu. Bratislava: SvF STU, 2011.
3. Chmúrny, I.: Vyhodnotenie prevádzky obnovenej základnej školy. In: Zborník z prednášok z konferencie Tepelná ochrana budov 2013. Bratislava: BBprint, 2013, s. 178–181.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.