Realizace skutečně téměř nulových budov v ČR

Již od roku 2013 je v české legislativě zaveden pojem téměř nulová budova. Tento energetický standard platí pro větší veřejné budovy již od roku 2016. V tomto roce se jím již řídí výstavba všech budov s plochou nad 1500 m2 a za necelé dva roky bude platit i pro nejmenší rodinné domy.

Motivací pro zavedení tohoto standardu je fakt, že budovy jsou ústředním bodem politiky EU v oblasti zvyšování energetické účinnosti, neboť na ně připadá téměř  Motivací pro zavedení tohoto standardu je fakt, že budovy jsou ústředním bodem politiky EU v oblasti zvyšování energetické účinnosti, neboť na ně připadá téměř 40 % konečné spotřeby energie.

Současně lze energii v budovách spořit bez omezování uživatele. Již delší dobu se staví rodinné domy, které standard téměř nulové budovy splňují a dalece ho překračují. V České republice se jedná především o budovy s velmi nízkou energetickou náročností, splňující podmínky programu Nová zelená úsporám, ale samozřejmě i mnoho pasivních a jim blízkých budov postavených mimo tento program.

Parametry téměř nulové budovy tak, jak si je Česká republika nastavila, jsou v případě rodinných domů velmi mírné, neprogresivní a dalece se liší od původního záměru stavět skutečně maximálně úsporné budovy. Tento standard splní již běžně zateplený rodinný dům s trojskly a plynovým kondenzačním kotlem. Z toho důvodu lze předpokládat v období po roce 2020 úpravu legislativních parametrů téměř nulové budovy tak, aby budovy tomuto pojmu více odpovídaly.

Legislativa a doporučení evropské komise

Pojem téměř nulová budova nZEB primárně uvedla Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU o energetické náročnosti budov (přepracování), takzvaná EPBD II. Budovu s téměř nulovou spotřebou směrnice definuje, jako budovu: „jejíž energetická náročnost je velmi nízká. Téměř nulová či nízká spotřeba požadované energie by měla být ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů, včetně energie z obnovitelných zdrojů vyráběné v místě či v jeho okolí“.

V případě České republiky je směrnice implementována do zákona 406/2000 Sb. o hospodaření energií ve znění pozdějších předpisů. Technické parametry dále specifikuje vyhláška 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov (se změnou 230/2015 Sb.).

Průměrný součinitel tepla

Definice téměř nulové budovy se promítá do dvou základních parametrů. Prvním je požadavek na obálku budovy, definovaný redukčním činitelem požadované základní hodnoty průměrného součinitele prostupu tepla f_R = 0,7. Tato hodnota znamená, že průměrný součinitel prostupu tepla by měl být o 30 % nižší, nežli při použití normových požadovaných hodnot součinitele U podle ČSN 730540-2:2011.

Již od roku 2013 platí pro novostavby hodnota redukčního činitele f_R = 0,8. Požadavek na téměř nulové budovy je tedy pouze o přibližně 10 % přísnější a zpravidla lze splnit při použití normových doporučených hodnot součinitele prostupu tepla a výplní otvorů s trojsklem. V případě novostaveb je přitom běžně technicky možné splnit hodnoty f_R nižší nežli 0,5.

Neobnovitelná primární energie

Druhým parametrem, který definuje téměř nulovou budovu, je tzv. značný rozsah pokrytí spotřeby pomocí obnovitelných zdrojů. Vyhláška 78/2013 Sb. se změnami toto definuje požadavkem na snížení hodnoty neobnovitelné primární energie stanovené pro referenční budovu (∆e_p,R) v rozpětí 10 až 25 % podle druhu budovy nebo zóny.

Nejedná se tedy o přímý požadavek na aplikaci obnovitelného zdroje v rámci budovy ani jeho určitý podíl na dodané energii. Vliv obnovitelných zdrojů je zde zohledněn nepřímo pomocí nízkých nebo nulových faktorů neobnovitelné primární energie, přičemž jejich existence na budově samozřejmě napomáhá snížení hodnoty této spotřeby.

Z případových studií nicméně vyplývá, že většinou existence obnovitelného zdroje není nutná, jelikož dnes běžně používané zdroje energie a soustavy mají výrazně vyšší účinnosti, nežli jsou účinnosti stanovené pro referenční budovu. Účinnosti mají samozřejmě v konečném důsledku vliv i na spotřebu primární neobnovitelné energie a požadavek je takto zpravidla splněn.

Výše uvedené vede k tomu, že běžně může být v ČR požadavek na neobnovitelnou primární energii pro rodinný dům ve výši 100 až 160 kWh/(m²rok) i více, v závislosti na velikosti, tvaru a dalších aspektech návrhu budovy [4]. Uvedená hodnota obsahuje spotřeby dle vyhlášky 78/2013 Sb. mimo uživatelské elektřiny (domácí spotřebiče). Chlazení je započteno rovněž, ale prozatím není běžnou součástí rodinných domů.

Doporučení EK

V červenci 2016 vydala evropská komise Doporučení (EU) 2016/1318 o pokynech na podporu budov s téměř nulovou spotřebou energie [2]. Toto doporučení reflektuje aktuální nastavení standardu nZEB napříč jednotlivými členskými zeměmi tak, jak si je na národní úrovni nastavily, a dále upřesňuje parametry, jakých by tyto budovy měly dosahovat.

Dokument mimo jiné uvádí, že budovy jsou ústředním bodem politiky EU v oblasti energetické účinnosti a že úplné provedení a vymáhání stávajících energetických právních předpisů je uznáno jako nejvyšší priorita s tím, že členské státy by se měly řídit pokyny tohoto doporučení.

Z aktuálního nastavení v rámci EU vyplývá, že u obytných budov usiluje většina členských států o spotřebu primární energie nepřesahující 50 kWh/m² za rok. Maximální spotřeba primární energie je v rozmezí od 20 kWh/m² za rok v Dánsku nebo 33 kWh/m² za rok v Chorvatsku (pobřeží) do 95 kWh/m² za rok v Lotyšsku.

Řada zemí (Belgie (Brusel), Estonsko, Francie, Irsko, Slovensko, Spojené království, Bulharsko, Dánsko, Chorvatsko (vnitrozemí), Malta, Slovinsko) usiluje o dosažení spotřeby ve výši 45 nebo 50 kWh/m² za rok [1]. Doporučení dále pro jednotlivá klimatická pásma uvádí hodnoty, kterých by měly budovy s téměř nulovou spotřebou dosahovat [3]. Pro kontinentální pásmo (např. Bratislava, Vídeň, Budapešť) uvádí následující hodnoty.

Nový rodinný dům: 20 – 40 kWh/m² čisté primární energie (v ČR neobnovitelné primární energie) za rok, obvykle se spotřebou primární energie za rok ve výši 50 – 70 kWh/m², která je pokryta 30 kWh/m² energie z obnovitelných zdrojů vyráběné v místě za rok. Je zřejmé, že aktuální nastavení požadavků legislativy ČR na primární neobnovitelnou energii násobně převyšuje představu EU o téměř nulových budovách.

Zdroje energie v budovách s velmi nízkou energetickou náročností

Přestože současné legislativní požadavky na téměř nulové budovy jsou značně vzdálené přísným hodnotám, které by měly tyto budovy plnit, najdeme v České republice řadu realizací, které požadavky podle doporučení EK již splňují nebo se jim blíží.

Doporučení komise [2] mimo jiné uvádí: „Z důkazů vyplývá, že stávající technologie související s úsporami energie, energetickou účinností a energií z obnovitelných zdrojů postačují k tomu, aby společně dosáhly vhodného cíle pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Technologická mezera, kterou by bylo třeba do roku 2021 odstranit, nebyla zjištěna.“ V České republice se jedná například o rodinné domy s velmi nízkou energetickou náročností, podpořené z programu Nová zelená úsporám (NZÚ).

Statistický vzorek

Pro účely tohoto příspěvku bylo vybráno sto třicet rodinných domů, pro které od roku 2013 doposud společnost EnergySim, s. r. o., zpracovala žádost o podporu z programu NZÚ. Cílem je analyzovat kombinace zdrojů energie využitých v těchto budovách a hodnoty primární neobnovitelné energie, které tyto budovy dosahují.

S ohledem na různorodost investorů a dodavatelů staveb se dá se zjednodušením předpokládat, že se jedná o určitý „statistický vzorek“ těchto budov podpořených z programu NZÚ. Některá technická kritéria podpory novostaveb rodinných domů v NZÚ z velké části odpovídají představám EU o parametrech nZEB.

Zaprvé je díky požadavku na konstrukce, obálku a měrnou potřebu tepla na vytápění zajištěna zmíněná „velmi nízká energetická náročnost“. Zadruhé program klade požadavky na měrnou potřebu primární neobnovitelné energie (E_pN,A), a to v absolutních hodnotách, čímž je v mnoha případech zajištěno částečné pokrytí spotřeby obnovitelnými (nebo alternativními) zdroji energie.

Oblast podpory je rozdělena do dvou podkategorií, přičemž v té „přísnější“ je vyžadována hodnota E_pN,A ve výši 60 kWh/(m²rok), v „mírnější“ potom 90 kWh/(m²rok). Jak bylo popsáno výše, většina členských zemí usiluje o hodnotu 50 kWh/(m²rok) a doporučení evropské komise pro kontinentální klima potom v rozmezí 20 – 40 kWh/(m²rok).

Přehled technických systémů

Obr. 1 uvádí jednotlivé kombinace zdrojů včetně počtu jejich výskytů v rámci hodnoceného vzorku budov. Je zřejmé, že nejčastěji použitou kombinací zdrojů (43 ze 130) je tepelné čerpadlo společně s nějakou variantou krbových kamen či krbu.

V případě TČ jsou zastoupena převážně čerpadla vzduch-voda a země-voda (častěji). Typ voda-voda se v testovaném souboru nevyskytl. V ojedinělých případech se vyskytují samostatná tepelná čerpadla pouze pro přípravu teplé vody v rámci zásobníku a kompaktní jednotky s tepelným čerpadlem využívající teplo z vnitřního vzduchu.

Velmi často se v různých kombinacích vyskytují krbová kamna nebo krbové vložky. Tyto systémy se vyskytují skoro v 60 % případů, přičemž řešení s teplovodním výměníkem jsou využita dvakrát častěji nežli bez výměníku. Dále přibližně u jedné třetiny budov je využita fotovoltaická elektrárna. Teplovodní solární systém je u těchto budov využíván poměrně málo.

V ojedinělých případech se vyskytuje jako hlavní zdroj tepla plynový kondenzační kotel nebo kotel na dřevní pelety či kusové dřevo. Ve všech hodnocených kombinacích se nějakým způsobem vyskytuje jako zdroj energie elektřina. Buď se jedná o hlavní zdroj energie (elektrokotel, topné patrony v zásobníku, přímotopné podlahové vytápění kabely, fóliemi, přímotopná tělesa) nebo pouze jako zdroj doplňkový (patrony v zásobníku, podlahové vytápění či žebřík v koupelně atd.).

Poslední sloupeček v tabulce (viz obr. 1) uvádí průměrné hodnoty spotřeby primární neobnovitelné energie pro danou kombinaci zdrojů. Tyto jsou logicky všechny nižší, nežli 90 kWh/(m²a), nicméně můžeme si u některých kombinací všimnout výskytu hodnot, které odpovídají Doporučení Evropské komise pro nZEB v kontinentálním pásmu.

Hodnoty měrné potřeby tepla na vytápění se pro hodnocený vzorek pohybují od 8 do 20 kWh/(m²a) s průměrnou hodnotou 16 kWh/(m²a). Měrná primární neobnovitelná energie má potom průměrnou hodnotu 64 kWh/(m²a), přičemž minimální hodnota je ve výši 6 kWh/(m²a).

V případě takto nízké hodnoty se jedná o dům vybavený tepelným čerpadlem vzduch voda, krbovými kamny s výměníkem a fotovoltaickou elektrárnou o instalovaném výkonu 4 kWp umožňující předání přebytků do rozvodné sítě.Je zřejmé, že již v rámci hodnoceného vzorku budov se vyskytují budovy, které plní doporučení EK na spotřebu primární neobnovitelné energie. 16 ze 130 hodnocených budov vykazuje měrnou spotřebu primární neobnovitelné energie menší než 40 kWh/(m²a).

Srovnání zdrojů tepla z pohledu spotřeby primární neobnovitelné energiePoslední kapitola se zaměřuje na možnosti dosažení Doporučení EK pro vybrané technické systémy. Vzhledem ke značně diskutovanému tématu využití elektrických systémů vytápění pro domy s nízkou potřebou tepla na vytápění ve srovnání se systémy tepelných čerpadel se provedené hodnocení omezuje pouze na tyto dva systémy v několika variantách.

Hodnocení se zaměřuje čistě na porovnání potřeby primární neobnovitelné energie. Výpočet vychází z teoretických potřeb energie a dodaných energií, ke kterým je v případě některých potřeb využito průměrných hodnot souboru 130 budov analyzovaných v kapitole výše. Výchozí předpoklady jsou následující.

Energeticky vztažná plocha je uvažována hodnotou EVP = 185 m² (průměr hodnocených budov). Pro hodnocení primárně energie je uvažováno s měrnou potřebou tepla ve výši 15 kWh/(m²a). Stejná hodnota je uvažována pro měrnou potřebu teplé vody (dle metodiky NZÚ je uvažováno s obsazeností 40 m²/os., a tedy potřeba teplé vody je úměrná podlahové ploše).

V případě hodnocení budovy včetně chlazení je uvažováno s teoretickou potřebou chladu ve výši 10 kWh/(m²a). V případě dalších spotřeb je uvažováno s průměrnými měrnými hodnotami hodnoceného vzorku budov (viz obr. 3).

V rámci soustavy pro přípravu teplé vody je uvažováno s hodnotami tepelných ztrát zásobníku a rozvodů (bez cirkulace) ve výši 3 kWh na 1 m² energeticky vztažné plochy. Hodnocení je provedeno pro následující základní varianty technických systémů, jejichž parametry popisuje následující tabulka (viz obr. 4).

Tabulka pak (viz obr. 5) uvádí ukázku výpočtu tří variant systémů – je zde zřejmý postup hodnocení primární neobnovitelné energie. Ve všech případech jsou výchozí potřeby energií totožné. Je zřejmé, že ve všech případech, bez ohledu na zdroj energie pro budovu, bude identická spotřeba na osvětlení a mechanické větrání.

Pomocné energie jsou v případě přímotopných systémů prakticky nulové a je uvažováno pouze s průměrnou pomocnou energií systému přípravy teplé vody. Položky osvětlení, větrání a pomocné energie mají součtovou spotřebu ve výši 8 kWh/(m²a) a při využití aktuálního faktoru neobnovitelné primární energie pro elektřinu tvoří tedy měrnou potřebu E_pN,A ve výši 24 kWh/(m²a).

Je zřejmé, že již z tohoto důvodu je poměrně obtížné splnit doporučení EK ve výši 20 – 40 kWh/(m²a). Přímotopný systém tedy vykazuje měrnou potřebu primární neobnovitelné energie (dále jen E_pN,A) ve výši 148 kWh/(m²a), přičemž položka chlazení v tomto případě tvoří 13 kWh/(m²a). Bez chlazení by tedy systém vykazoval hodnotu E_pN,A = 135 kWh/(m²a).

Systém s tepelným čerpadlem země-voda využitým v reverzibilním chodu rovněž pro chlazení potom vykazuje hodnotu E_pN,A = 71 kWh/(m²a). Pokud by bylo současně využito odpadní teplo ze systému chlazení k přípravě TV, klesla by hodnota E_pN,A na 62 kWh/(m²2a). Dále je k výše uvedeným variantám možné uvážit kombinaci s fotovoltaickým systémem (dále jen FVE).

Díky metodice hodnocení podle vyhlášky č. 78/2013 Sb. v aktuálním znění, je z pohledu hodnocení primární neobnovitelné energie zcela jedno, zdali se vyrobená elektřina využije pro úsporu elektřiny v budově, nebo bude exportována do sítě. V prvním případě se šetří spotřebovaná elektřina s faktorem 3,0. Ve druhém případě má dodávka do sítě záporný faktor -3,0.

Budeme-li zjednodušeně uvažovat roční výrobu elektřiny z FVE ve výši 1000 kWh/kWp, dojde k úspoře (resp. odečtu) EE_pN,A ve výši 3000 kWh na každý instalovaný kWp elektrárny. Pro naši hodnocenou budovu o vztažné ploše 185 m² to tedy znamená úsporu E_pN,A  16,2 kWh/(m²a).

První hodnocený systém s elektrickými přímotopnými spotřebiči by tedy při kombinaci s fotovoltaickou elektrárnou vykazoval spotřebu E_pN,A  100 kWh/(m²a) oproti původním 148 kWh/(m²a). V případě instalace fotovoltaické elektrárny o výkonu 5 kWp by stejný systém vykazoval hodnotu E_pN,A  ve výši 67 kWh/(m²a).

Závěr

V příspěvku byl uveden rozbor technických systémů použitých ve sto třiceti stávajících rodinných domech s velmi nízkou energetickou náročností včetně hodnocení primární neobnovitelné energie. Bylo ukázáno, že mnoho variant se již dnes buď blíží, či již splňují doporučení Evropské komise na potřebu E_pN,A  ve výši 20 – 40 kWh/(m²a).

V dalším textu bylo uvedeno srovnání hodnot E_pN,A pro dva velmi často diskutované systémy, a to přímotopné elektrické vytápění a systém tepelného čerpadla včetně variant kombinace s fotovoltaickou elektrárnou. Z výsledků je zřejmé, že bez instalace FVE jsou za současných podmínek přímotopné systémy dalece za hranicí plnění doporučení EK.

Uvedené výsledky budou s malou odchylkou platit pro všechny systémy elektrického vytápění bez tepelného čerpadla (topné rohože, elektrokotle, sálavé vytápění atd.). Systémy s tepelným čerpadlem bez instalace FVE vykazují potom celkovou spotřebu E_pN,A pro budovu méně než poloviční. Například při využití odpadního tepla z chlazení je hodnota E_pN,A stanovena ve výši 62 kWh/(m²a).

S ohledem na závažnost tématu energetických úspor a důvody uvedené v příspěvku výše lze v blízké době předpokládat úpravu současného nastavení legislativních požadavků na budovy v ČR minimálně z pohledu primární neobnovitelné energie. Ze současných trendů patrných z trhu je rovněž znatelný markantní nárůst zájmu o instalace systémů chlazení pro rodinné domy, dodnes málo běžných.

Systémy chlazení logicky navyšují spotřebu elektřiny budovy a tím i spotřebu primární neobnovitelné energie. Z pohledu energetického mixu ČR je rovněž třeba poznamenat, že vlivem nárůstu podílu obnovitelných zdrojů na výrobě elektřiny může v budoucnu dojít k úpravě faktorů primární neobnovitelné energie pro tento energonositel (výše uvedené doporučení EK mluví o hodnotě konverzního faktoru n.p.e. pro elektřinu ve výši 2,5 -).

Závěrem je uvedena tabulka (obr. 6) výsledků spotřeb E_pN,A pro různé hodnoty tohoto faktoru pro výše uvedené varianty zdroj tepla budovy s velmi nízkou energetickou náročností. Z uvedeného je zřejmé, že vliv případného poklesu faktoru n.p.e. nemá na výsledky až tak markantní vliv, tedy ani při markantním poklesu konverzního faktoru by přímotopné systémy bez FVE neplnily Doporučení EK. Obecně jsou tedy systémy s využitím tepelných čerpadel z pohledu spotřebyE_pN,A výrazně úspornější. Často kladeným argumentem v případě elektrického vytápění jsou nízké pořizovací náklady.

Článek nemá za cíl ekonomické srovnání výše uvedených systémů, nicméně je zřejmé, v případě potřeby instalace dalšího obnovitelného zdroje (fotovoltaika, krbové vložky atd.) se počáteční pořizovací náklady znatelně navyšují. Současně fotovoltaické zdroje zažívají aktuálně v rodinných domech značný „boom“.

Z pohledu primární neobnovitelné energie jsou tyto zdroje velkým přínosem a v případě instalace výkonné elektrárny může být spotřeba E_pN,A snížena až do záporných hodnot. Z pohledu ekonomiky provozu je však třeba elektrárnu navrhovat s ohledem na maximální využití vyrobené elektřiny v budově, jelikož elektřina dodaná do sítě je dnes zanedbatelně finančně kompenzována.

V mnoha případech je tak i elektrárna o výkonu 5 kWp pro rodinný dům příliš výkonná. Budovy s kvalitně navrženou obálkou, nuceným větráním s rekuperací, tepelným čerpadlem jako hlavním zdrojem pro vytápění a přípravu teplé vody potom v kombinaci s poměrně malou fotovoltaickou elektrárnou (2 až 3 kWp) s přehledem splní doporučení EK na spotřebu primární neobnovitelné energie.

Ing. Jan Antonín, Ph.D., Ing. Zdena Dobrá
Jan Antonín pracuje jako jednatel, energetický auditor, EnergySim s.r.o. Zdena Dobrá pracuje jako specialista na energetiku budov, EnergySim s.r.o.

Foto: archiv autorů, Shutterstock

LITERATURA
[1] NEARLY ZERO ENERGY BUILDINGS DEFINITIONS ACROSS EUROPE [online]. In: Brusel: BPIE, 2015, s. 8 [cit. 2018-05-13]. Dostupné z: http://bpie.eu/uploads/lib/document/attachment/128/BPIE_factsheet_nZEB_definitions_across_Europe.pdf
[2] EVROPSKÁ KOMISE, Miguel Arias Canete. Doporučení komise (EU) 2016/1318. Česká komora architektů [online]. Brusel, 2016 [cit. 2018-05-13]. Dostupné z: https://www.cka.cz/cs/cka/tema-CKA/podpora-budov-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/doporuceni-eu-komise-nzeb.pdf
[3] HERMELINK, Andreas, Sven SCHIMSCHAR, Thomas BOERMANS, Lorenzo PAGLIANO, Paolo ZANGHERI, Roberto ARMANI, Karsten VOSS a Eike MUSALL. Towards nearly zero-energy buildings: Definition of common principles under the EPBD [online]. In: Kolín nad Rýnem: ECOFYS, 2013, s. 469 [cit. 2018-05-13]. Dostupné z: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/nzeb_full_report.pdf
[4] ČEJKA, Michal a Jan ANTONÍN. Budovy s téměř nulovou spotřebou – porovnání energetických standardů. Tzbinfo: stavebnictví, úspory energií, technická zařízení budov [online]. 2017 [cit. 2018-05-13]. Dostupné z: https://stavba.tzb-info.cz/budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-energie/15181-budovy-s-temer-nulovou-spotrebou-porovnani-energetickych-standardu
[5] TNI 730331. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2013.
[6] ČSN EN 14511-2. Nahrazuje ČSN EN 14511-2 z ledna 2014. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2014.
[7] ČSN EN 15316-4-2 (06 0401) Tepelné soustavy v budovách − Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy − Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, Tepelná čerpadla

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2018.