Vliv zasklených fasád na spotřebu energie

Analýza energetické náročnosti vybrané školní budovy ukazuje, že v současnosti je třeba z energetického hlediska rekonstruovat všechny starší budovy. Cílem příspěvku je analýzou vybraného objektu poukázat na možnosti snížení tepelné zátěže budovy v letním období. Na základě této analýzy se prezentují vlivy různých konstrukcí stínění a aplikace různých typů skleněných konstrukcí na spotřebu energie budovy a na její vnitřní klima, které je velmi důležité, protože účinnou a úspěšnou duševní činnost je možné vykonávat jen při optimálních podmínkách vnitřního životního prostředí.

Spotřeba energie budov v Maďarsku představuje 40 % z celkové energetické spotřeby. Otázka snižování spotřeby energie budov má proto prioritu, navíc se zohledňuje i její vliv na snížení emisí CO² a trvale udržitelný rozvoj. Tytéž snahy jsou zřejmé i v evropském kontextu.

Evropský parlament a Rada Evropy vydaly směrnici 2002/91/EU o energetické hospodárnosti budov (EPBD), v níž se předepisuje vypracování interních regulací pro jednotlivé země. V Maďarsku řeší požadavky na energetickou spotřebu budov a metodiku hodnocení budov vyhláška č. 7/2006 TNM. V ní jsou stanoveny požadované hodnoty na vnější obalové konstrukce a zasklené stěny, které snižují původní hodnoty o 30 až 40 %.

V době vzniku vyhlášky byly výrazně zpřísněny požadavky, domácí stavební průmysl jim však vyhověl. Postupem času se navzdory tomu ukázalo, že je nevyhnutelné dále snižovat energetickou spotřebu. V tomto smyslu byla přijata schválená a přepracovaná směrnice EPBD 31/2010/EU. Všechny nové občanské budovy postavené po 31. prosinci 2018 a všechny ostatní nové budovy postavené po 31. prosinci 2020 by měly mít spotřebu energie blízkou nule.

Nové budovy mají pravidla, ale co ty staré?
Co se však děje se starými budovami? Obnova veřejných budov vybudovaných v období let 1960 až 1970 bohužel nesleduje kritéria stále přísnějších předpisů. Zkušenosti poukazují na značné nedostatky, které plynou především z ekonomických důvodů. Cílem příspěvku je prezentovat výsledky energetické analýzy vybrané školní budovy vybudované v 60. letech 20. století. Porovnává se vliv výměny skleněného obalového pláště na změnu spotřeby energie a také vliv na zařazení budovy do energetické třídy. V sou­časnosti je třeba počítat v budovách už i s klimatizací. Administrativní ani významné školní budovy se už nestavějí bez klimatizačního zařízení. Z tohoto důvodu je důležitým faktorem i spotřeba energie na chlazení. Aby se při ní dosáhlo co nejnižší hodnoty, je vyžadována úzká spolupráce projektanta stavební části a projektanta technologického zařízení od začátku tvoření budovy až po její realizaci. Právě fáze projektování má rozhodující vliv na výšku spotřeby energie v objektu.

Analyzovaná budova
Analyzovaná školní budova má šest nadzemních podlaží a jedno podzemní podlaží, kde jsou sklepy.
Hlavní tvarové charakteristiky:
Celková půdorysná plocha:    9 009 m²
Vytápěná plocha:    9 009 m²
Vytápěný objem:    23 355 m³
Výška:    29,7 m

Budova byla v minulosti částečně rekonstruována. Byla vyměněna okna a dveře se zasklením typu 4-16-4 Low-E s hliníkovým rámem. Dva schodištní prostory orientované na jižní stranu zůstaly bez rekonstrukce s původním matným zasklením s tloušťkou 4 mm. Vytápění budovy a přípravu teplé vody zabezpečuje systém dálkového vytápění. V budově se odevzdává teplo prostřednictvím vytápěcích těles vybavených regulačními ventily s termostatickými hlavicemi. V objektu není chlazení. Pro splnění požadavků v aule a společenské místnosti v přízemí jsou k dispozici dvě větrací jednotky s rekuperací, každá se vzduchovým výkonem 2 200 m³/h. Větrací jednotky tvoří doplňkové vytápění k vytápěcí soustavě s vytápěcími tělesy pro zvyšování komfortu osob, které se nacházejí v aule.

Součinitele prostupu tepla vnější obalové konstrukce, oken a dveří
Spotřebu energie budov ovlivňují v značné míře zasklené plochy vnější obalové konstrukce (jejich podíl) a její tepelnětechnické vlastnosti. V zimním období mají vliv na tepelnou ztrátu budovy, v letním období na tepelnou zátěž budovy. Účinek letního nestacionárního tepelného zatížení na vnitřní klima mohou ovlivnit nejen tepelnětechnické vlastnosti zasklených ploch, ale též použití, resp. absence vnějšího stínění. Na základě skladby vrstev vnější konstrukce vybrané školy převyšují součinitele prostupu tepla stěn značně hodnoty povolené vládním nařízením č. 7/2006. Okna a venkovní dveře byly při částečné rekonstrukci budovy vyměněny, proto vyhovují požadovaným kritériím. Kvalifikaci fasádních konstrukcí a oken budovy obsahuje tab. 1.

Údaje z tab. 1 poukazují na to, že budova vůbec nesplňuje v současnosti platná kritéria pro kvalitu konstrukcí. Osa budovy má orientaci východ – západ, takže místnosti jsou orientované buď na sever, nebo na jih. V místnostech orientovaných na jih je v letních vedrech vlivem zvýšeného slunečního záření a v důsledku chybějícího stínění vysoká teplota vnitřního vzduchu. Výsledky místních měření průběhu teploty vnitřního vzduchu znázorňuje graf na obr. 1.

Obr. 1 Průběh denní teploty vzduchu v místnostech orientovaných na sever a jih

Zatímco na jižní straně byly v období mezi 18. až 21. srpnem naměřeny hodnoty teploty vnitřního vzduchu mezi 31 až 35 °C, na severní straně se přibližovala teplota vnitřního vzduchu k hodnotě až 30 °C. Z obr. 1 jasně vyplývá, že v důsledku silného přímého slunečního záření teplota vnitřního vzduchu v místnostech výrazně převýšila teplotu vnějšího vzduchu. Z uvedeného důvodu je nevyhnutelné budovu klimatizovat a vybudovat venkovní stínění. Protože skleněný portál schodišť představuje až 27 % plochy jižní fasády, je třeba ho před tím také vyměnit.

Výsledky počítačové simulace
Při energetické analýze byl použit vlastní počítačový simulační program. Na základě této analýzy se prezentují vlivy různých konstrukcí stínění a aplikace různých typů skleněných konstrukcí na spotřebu energie budovy a na její vnitřní klima.

Pomocí počítačového simulačního programu se v rámci energetické analýzy budovy provedly tyto simulace:

• časový průběh tepelného toku přes jižní skleněnou fasádu při jejích různých vyhotoveních,
• časová změna výsledného tepelného zatížení budovy při různých vyhotoveních skleněné fasády,
• roční energetická potřeba budovy při různých vyhotoveních jižní skleněné fasády.

U skleněné fasády schodišť byly vykonány simulace spotřeby energie pro tyto alternativy:

• A.    současný stav, okna s původními rámy,
• B.    aplikace nové skleněné fasády,
• C.    aplikace nové skleněné fasády s antireflexní vrstvou,
• D.    aplikace nové skleněné fasády s vnějším stíněním oken proti slunečnímu záření.

Charakteristiky jednotlivých alternativ řešení obsahuje tab. 2. Součinitel stínění zahrnuje poměr zasklívání, reflexi slunečního záření a účinek stínění.

Nestacionární letní tepelné zatížení jižní skleněné fasády
Na potřeby tepelnětechnického hodnocení budovy byl použit vlastní simulační počítačový program. Pomocí simulace se na základě návrhových podmínek meteorologických údajů určilo tepelné zatížení u různě orientovaných fasád a celkové tepelné zatížení budovy. Na obr. 2 je znázorněn časový průběh změny vnějšího tepelného zatížení na jednotlivých zasklených fasádách. Na obr. 3 je znázorněno výsledné tepelné zatížení budovy. Je zřejmé, že 80 % z celkové tepelné zátěže prochází zasklenými částmi fasády. V případě změny skleněné fasády a vybudování vnějšího stínění by se tepelná zátěž snížila až o 47 %. Získané výsledky jsou shrnuty v tab. 3, která obsahuje maximální hodnoty tepelné zátěže při nestacionárním tepelném zatížení budovy.

Obr. 2  Časová změna tepelných toků přes zasklené plochy fasády

Obr. 3  Časový průběh nestacionárního tepelného zatížení budovy

Roční potřeba energie budovy
Požadavky na roční potřebu energie byly určeny na základě platného vládního nařízení č. 7/2006. Tento požadavek je v souladu s předpisy, direktivami a doporučeními EU. K energetickému hodnocení byl použit vlastní simulační program. Určila se spotřeba primární energie na výrobu teplé vody, na vzduchotechniku a na osvětlení budovy.

Spotřeba energie přepočítaná na primární energii:
teplá voda:    8,4 kWh/m² . rok
vzduchotechnika:    5,9 kWh/m² . rok
osvětlení:    18,0 kWh/m² . rok
celkem:        32,3 kWh/m² . rok

Přepočtové koeficienty na primární energii:

• na elektrickou energii: e = 2,5 v době špičkového odběru,
• na elektrickou energii: e = 1,8 v době mimo špičkový odběr,
• dálkové vytápění: e = 1,12.

Výsledky výpočtů jsou znázorněny v grafu na obr. 4 a v tab. 4. V současném stavu budovy je spotřeba energie vztažena na primární energii 242,8 kWh/(m² . rok), čemuž odpovídá stupeň zařazení do energetické třídy s označením H, to znamená slabá. Aplikací moderní skleněné fasády a vybudováním stínění oken budovy by tato spotřeba energie klesla na hodnotu 134,5 kWh/(m² . rok) a následně by se stupeň zatřídění budovy posunul do kategorie s označením E, tedy lepší průměr.

Obr. 4 Struktura spotřeby primární energie při jednotlivých alternativách rekonstrukce budovy

Souhrnné zhodnocení
Pro dosažení snížení celkové spotřeby energie v Maďarsku je nevyhnutelné snížit spotřebu energie budov. Tepelnětechnické vlastnosti budov občanské vybavenosti vybudované v letech 1960 až 1970 výrazně zaostávají za současnými požadavky. Tyto budovy však lze obnovovat jen postupně, v závislosti na disponibilních finančních zdrojích. Právě různé možnosti na získávání prostředků z fondů EU mohou urychlit proces obnovy budov.

V příspěvku jsme představili jednu metodiku energetické analýzy a její aplikaci v případě konkrétní budovy. Na základě výsledků můžeme konstatovat, že:

• realizace energeticky úsporných budov vyžaduje spolupráci architekta a projektanta technických zařízení budov od samého začátku procesu výstavby,
• přes zasklené plochy konstrukce se dostává do objektu rozhodující podíl letní tepelné zátěže, což v případě naší budovy představuje 80 %,
• výměnou zasklených ploch a použitím vnějšího stínění se značně sníží tepelná zátěž; v analyzovaném případě se snížila o 47 %,
• roční spotřeba energie přepočítaná na primární energii klesla z původní hodnoty 242,8 kWh/(m² . rok) na 134,5 kWh/(m² . rok), což představuje úsporu 45,6 %.

Z prezentovaných výsledků vidíme, že v sou­časnosti je z energetického hlediska nevyhnutelné rekonstruovat všechny existující budovy. Řešení tohoto úkolu vyžaduje soulad činnosti architekta a projektanta technických zařízení budov, která spočívá v obnově obalové konstrukce a zároveň v obnově technických zařízení budov modernější technologií. Pro účinnou duševní práci je nevyhnutelná aplikace klimatizace. K dosažení energetických úspor je třeba také stínit zasklené plochy. Energetické úspory dosažené právě těmito opatřeními snižují provozní náklady po dlouhé roky provozu budovy. Doporučená rekonstrukční opatření nejenže zabezpečují hospodárnost, ale také zlepšují komfort vnitřního prostředí, protože v současnosti dosahuje vzduch v interiéru budov takových letních teplot, které neumožňují účinnou duševní práci.
Při komplexním posouzení energeticky úsporných opatření školních staveb by bylo vhodné posuzovat i vliv obnovy netransparentních konstrukcí (stěn, střech a podlah). Plochy a součinitele prostupu tepla těchto konstrukcí značně ovlivní tepelnou bilanci vytápění a chlazení, a tím i výsledné zařazení do energetické třídy.

Obrázky: archiv autorů
Dr. László Kajtár, János Szabó
L. Kajtár je zástupcem vedoucího této katedry.
Recenzoval: prof. Ing. Ivan Chmúrny, Ph.D.
Autoři působí na Katedře technických zařízení budov a strojních procesních technologií Univerzity technických a ekonomických věd v Budapešti.

Literatura
1.    Bánhidi, L. – Kajtár, L.: Komfortelmélet 2000 Budapest. Műegyetemi Kiadó.
2.    Ilaria, B. – Vincenzo, C.: Application of Energy Rating Methods to the Existing Building Stock: Analysis of Some Residential Buildings in Turin. In: Energy and Buildings, 2009, č. 41,s. 790–800.
3.    Kajtár, L. – Leitner, A. et al.: High Quality Thermal Environment by Chilled Ceiling in Office Building. In: 9th REHVA World Congress Clima „Well-Being Indoors” 2007, Helsinki, 2007.
4.    Kajtár, L. – Hrustinszky, T. et al.: Indoor Air Quality and Energy Demand of Buildings. In : 9th International Conference Healthy Buildings 2009, Syracuse, 2009.
5.    Fauchoux, T. M. – Simonson, C. J. – Torvi, A. D.: The Effect of Energy Recovery on Perceived Air Quality, Energy Consumption, and the Economics of fan Office Building. In: ASHRAE Transactions, 2007, zv. 112, časť 2, s. 440.
6.    Petráš, D – Lulkovičová, O. – Takács, J. – Füri, B.: Obnoviteľné zdroje energie na vykurovanie. In: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005. s. 193–217.
7.    Petráš, D. – Kalús, D. – Takács, J.– Matej, P: Racionálna spotreba energie pri prevádzke budov v areáli priemyselného závodu. In: Acta Mechanica Slovaca, 2004, roč. 8, č. 3-A.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.