Zpět na osobnosti, rozhovory

Diskuzní fórum: Energie a stavebnictví

4. dubna 2007
Ing. Hana Dušková

Cílem debaty, kterou v březnu uspořádala redakce Stavebnictví 2007 v budově ČKAIT v Praze, bylo zhodnotit energetické možnosti a směry v oblasti výstavby. Debaty, seznamující čtenáře se současnými a budoucími energetickými přístupy, se zúčastnili tito odborníci: prof. Ing. František Hrdlička, CSc., děkan FS ČVUT v Praze, prof. Ing. Karel Kabele, CSc., FSv ČVUT Praha, vedoucí katedry technických zařízení budov, doc. Ing. Jiří Bašta, Ph.D., FS ČVUT Praha, Ústav techniky prostředí, a Ing. Irena Plocková, MPO ČR.


Obr. 1 jednotlivé druhy energií
Obr. 1 jednotlivé druhy energií

Na jakou problematiku je z vašeho pohledu v dané oblasti nejvíce aktuální upozornit?
Hrdlička:
Tuto oblast lze uchopit z mnoha stran. Lze ji zúžit na energetickou náročnost výstavby a provozu staveb, na použité materiály nebo například na aplikace koncepce pasivních staveb... Ale jsme ve 3. tisíciletí a existují inteligentní budovy. Energie není pouze do stavby přiváděna, ale také ze stavby odchází, a to v různých formách (prostupem tepla do okolí, ventilací, v odpadní vodě...). Pokud tato odcházející energie zůstává bez využití, je podstatné změnit přístup ke koncepci a návrhu stavby. A to jak z hlediska informovanosti o možnostech využívání odcházející energie, tak i z hlediska řízení stavebního procesu.
Plocková: Měli bychom začít u státní energetické koncepce. Je třeba, aby byl návrh aktualizace státní energetické koncepce v této oblasti adekvátně rozpracován. K tomu je však potřeba dostatečné množství údajů, a ne všechny již existující krajské energetické koncepce mají tuto problematiku dostatečně podrobně upravenou. Společnost je v současnosti nastavena na otázky spojené s výrobou energie, ale je také nutno zdůraznit důležitost, efektivnost a hospodárnost na straně její spotřeby. Je to rovnocenný partner na stejné úrovni.
Hrdlička: Energetika se promítá do běžného života ve všech oblastech. Prioritou je, že k primární energetické bezpečnosti je třeba přiměřená domácí výroba, pokud možno co nejméně závislá na importu surovin a postavená na širokém spektru zdrojů. Samozřejmostí je velmi podstatné šetření vlastních primárních zdrojů.
Cílem je obecně snížení spotřeby primárních energií v oblasti výstavby a provozování stavebních objektů. Z hlediska spotřeby primárních zdrojů i z hlediska významu v souvislosti se stavební produkcí je více než výroba elektřiny zásadnější výroba tepla. Pokud zúžíme spotřebu tepla na lokální, malé a střední zdroje, pak jde o cca 400-500 PJ roční spotřeby primárních zdrojů pro zásobování teplem, teplou vodou a pro úpravu vnitřního mikroklimatu v budovách. Právě tato část energetiky představuje největší reálný potenciál úspor energie ve stavebnictví. Tímto směrem by se měl tento obor vyvíjet a tudy by se měla tato debata vést.
Kabele: Pozornost odborné i laické veřejnosti je již soustředěna na zlepšování tepelně-technických vlastností obvodových konstrukcí, snižování potřeby a spotřeby energie na vytápění, do povědomí se dostává i otázka větrání budov a jeho vlivu na spotřebu energie na vytápění. Vývoj v této oblasti však dospěl do stavu, kdy není podíl energie na vytápění a přípravu teplé vody již zcela rozhodující a pro mnoho uživatelů tzv. nízkoenergetických staveb je nemilým překvapením účet za energii, kde se začnou projevovat i spotřeby dříve přehlížené, jako jsou např. energie na pohon oběhových čerpadel, počítače, regulaci, ventilátory atd. Problém je i v dvousložkové ceně energie, kde z celkem pochopitelných důvodů (z pohledu dodavatele energie) neklesá cena dodané energie lineárně s její úsporou. Domnívám se tak, že pozornost je nutno nyní zaměřit na komplexní pohled na hospodaření s energií v budovách a při hodnocení budov se zabývat nejen energií na vytápění. Pokud je budova i strojně chlazena, vykazuje při dnešním ?nízkoenergetickém? standardu větší spotřebu energie (celkovou), než budova standardu běžného, neboť při výrazných vnitřních tepelných zátěžích zvyšuje dobře tepelně izolovaný plášť potřebu energie na chlazení.
Bašta: Přes malé tepelné ztráty objektů stále trvá požadavek na hospodárnost použití techniky zařízení budov. Hospodárnost je zároveň důležitým kritériem při volbě různých systémů vytápění. Rozhodnutí pro či proti použití určitého zařízení by tak mělo vycházet z předpokladů hospodárného provozu. Rozhodujícím kritériem je nízká potřeba energie. Tu lze určit na základě vzájemné souhry stavební konstrukce a zařízení. Tak jsou kladeny vysoké požadavky na energetickou účinnost použitých zařízení, neboť jejich příspěvek má vést k úsilí o co nejvyšší úspory energií.
Měřítkem při porovnávání jednotlivých systémů vytápění může být, resp. by měla být primární energie*1). To nám umožní celkové posouzení řetězce procesů připravujících výsledný produkt - např. teplo. U fosilních paliv se tak např. zachytí i náklady na těžbu, úpravu a transport, u elektrického proudu ztráty transformací, resp. účinnost elektrárny.
Konečná energie - elektrický proud s vysokým nárokem na primární energii vyžaduje použití efektivní techniky (např. tepelné čerpadlo) tak, abychom zajistili akceptovatelné hodnoty potřeby primární energie a emisí CO2.
Zemní plyn je jako zdroj energie velmi dobře použitelný. Potřeba elektrické energie pro menší množství objektů s velmi dobrými tepelně-technickými vlastnostmi pak může být zajišťována menší teplárnou s podílem výroby elektrické energie. Zde hraje významnou roli i použití palivových článků. Obdobnými koncepcemi lze dosáhnout značného poklesu CO2 emisí.
Obr. 2 ukazuje potřebu primární a konečné energie u vybraných typických způsobů vytápění za předpokladu stejné potřeby tepla pro vytápění při zohlednění pomocné energie. Zejména u elektrického vytápění je energetické posouzení primární energie nepříznivé.

Obr. 2 potřeba konečné energie a primární energie pro zvolené způsoby vytápění při stejné tepelné ztrátě objektu
Obr. 2 potřeba konečné energie a primární energie pro zvolené způsoby vytápění při stejné tepelné ztrátě objektu

Na obr. 3 je uveden příklad pro těžkou stavbu orientovanou na sever s I = 0,6 h-1, střední vnitřní zátěží 3,8 W/m2 a maximální regulační odchylkou 2 K. Ukazuje vliv místní regulace u deskového otopného tělesa na spotřebu tepla v porovnání s regulací bez setrvačnosti a bez regulační odchylky - nereálné ideální vytápění. Vytápění s TRV vykazuje oproti ideálnímu vyšší spotřebu o 3 kWh/(m2a). Při malé potřebě tepla to představuje vzrůst o 6 %. Pokud by u otopných těles byl použit PI regulátor, nárůst by byl zanedbatelný.

Obr. 3 vliv místní regulace na potřebu energie u typické těžké stavby
Obr. 3 vliv místní regulace na potřebu energie u typické těžké stavby

Jak je u nás podporován rozvoj nízkoenergetického standardu v oblasti výstavby?
Plocková:
Tento typ výstavby se u nás obtížně prosazuje, protože nehovoříme v ekonomických souvislostech. Tam bych viděla prioritu. Je třeba seznamovat veřejnost s objektivní výší investičních nákladů na výstavbu budovy ve standardním a oproti tomu v nízkoenergetickém provedení, a to v návaznosti na roční provozní náklady. Obecně jde o hodnocení budovy z hlediska jejího celoživotního cyklu. Pokud by měly být poskytovány investiční podpory, pak by měly být spojeny s přesně definovanými cíli, např. z hlediska ochrany klimatu.
Kabele: Za klíčové považuji definovat pojem nízkoenergetický standard tak, aby skutečně vyjadřoval spotřebu energie v budovách a nikoliv pouze energii na vytápění. Doufám, že nová metodika výpočtu energetické náročnosti budov, která je výsledkem implementace Směrnice 91/2002, tomuto trendu pomůže a projektantům i investorům dá přesnější obraz o skutečném energetickém chování budovy.

Jak lze promítnout do návrhu budovy energeticky úsporná opatření a jak tento návrh řídit, aby se jednotlivá opatření vzájemně neomezovala nebo nevylučovala?
Kabele: Energetickou koncepci budovy je nejlépe vytvářet v době vzniku projektu na úrovni architektonické studie a měla by být zpracována odborníkem, který je schopen vnímat vyváženě všechny energetické systémy a konstrukce budovy tak, aby dokázal jednotlivá energeticky úsporná opatření chápat v kontextu a uvědomil si dopad aplikace opatření na celkovou spotřebu energie v budově v celoročním provozu. Typickým příkladem je snížení tepelné zátěže účinnými fóliemi na oknech s malou propustností světla, čímž se zvýší spotřeba energie na umělé osvětlení. Osvícení architekti již v současnosti energetickou koncepci budovy řeší od počátku jejího vzniku. Pro ty, kteří tak nečiní, bude jistě impulsem nepříjemná situace, kdy jimi navržená budova nebude splňovat požadavky na energetickou náročnost a tato skutečnost se projeví až při zpracování průkazu energetické náročnosti na projektovou dokumentaci předkládanou ke stavebnímu řízení.
Bašta: Ke konkrétním hodnotám, například tepelných ztrát, je možno se dopracovat. Ale nelze předkládat univerzální návrhy řešení jak technologie výstavby, tak způsobu větrání, vytápění nebo ohřevu teplé vody. Pro každou stavbu je optimální jiný systém. Obzvlášť ?u nízkoenergetických domů, kde platí, že co dům, to jiné řešení.
Hrdlička: Ano, nelze v této souvislosti hovořit o optimalizaci, protože jednotliví odborníci v této nové disciplině mají zejména o cílech optimalizace zcela rozdílné názory. Mohu hovořit o vhodném přístupu. Dnes jsou k dané problematice různé přístupy, jejichž výsledkem je obecně snížení spotřeby primárních energií. Nic víc neumíme a na něčem jiném se ani v daném okamžiku nemůžeme shodnout.
Plocková: Podporou energeticky úsporné stavby se stal v minulosti energetický audit a v současnosti zaváděná certifikace budov, která pomůže investorovi identifikovat možnosti úsporných opatření ve stavební části budovy, a to v návaznosti na její technické systémy.

Jak tedy vhodně přistupovat z hlediska problematiky vytápění, větrání a inteligentního řízení budov?
Bašta: Při zohlednění všech aspektů lze považovat za příznivou variantu ohřev TV napojený na kondenzační kotel s širokou oblastí modulace tepelného výkonu. Maximální výkon kotle je tak určen pro přednostní přípravu TV a částečný, modulačně snížený, pro vytápění. Minimální výkon kondenzačního kotle může být, s ohledem na dokonalou modulaci, tak malý, že se eliminuje i taktování kotle pod úrovní startovacího výkonu, a tím se omezí i produkce škodlivin.
Obvyklá koncepce ekvitermní regulace s osazenými TRV lze využít i u nízkoenergetických domů (NED). Musíme ji však rozšířit o vazbu na vnitřní teplotu, abychom dokázali v co možná největší míře postihnout tepelné zisky, resp. dynamické chování poruchové veličiny.
Při velmi nízkých teplotách lze u NED uvažovat i o podlahovém vytápění. Energeticky výhodné je použít jako zdroj tepla tepelné čerpadlo či kondenzační kotel. Značnou nevýhodou u podlahového vytápění však zůstává velká tepelná setrvačnost otopné plochy a zvýšení tepelné ztráty vedením tepla některými částmi stavební konstrukce a následným přestupem do vnějšího prostředí, stejně jako optimálně neřešitelná problematika využívání tepelných zisků od slunečního záření dopadajícího na podlahu v zimním období. Aplikace podlahového vytápění je tak omezena jen na případy rovnoměrně využívaných prostor, kde dochází k přímému kontaktu chodidla s podlahovou krytinou a kde chceme zajistit plný tepelný komfort pro všechny části těla.
Solární zařízení určené pro přípravu TV může u NED způsobit podstatnou redukci celkové potřeby energie. Zlepší se hospodárnost provozu, ale pořizovací náklady jsou vyšší. Solární zařízení použité k vytápění však vychází hůře, neboť náklady a tepelné ztráty stran dlouhodobější akumulace tepla nejsou mnohdy akceptovatelné. Centrální kombinované solární zařízení s velkými zásobníky pro vytápění komplexu budov však vychází příznivěji, neboť se náklady rozkládají mezi více zásobovaných objektů. Z pohledu primární energie se nabízí jako efektivní forma využití malých tepláren s druhotnou výrobou elektrické energie, které zásobují komplex budov. Příznivé okrajové podmínky vytvářejí stavby s dobrými tepelně-technickými vlastnostmi rovněž pro použití tepelných čerpadel, protože požadované teplotní parametry teplonosné látky výrazně klesají. Pak je potřeba dosahovat průměrný roční topný faktor vyšší než 3.
Narozdíl od výše uvedeného, vykazuje klasické elektrické vytápění (přímotopy a akumulační vytápění s nočním nabíjecím časem) extrémně vysokou potřebu primární energie a z pohledu zpracování primární energie i produkci CO2 emisí. Přesto, že u NED vykazuje elektrické vytápění, s ohledem na malou spotřebu tepla, nízké pořizovací náklady, nelze ho doporučit s ohledem na komplexní bilanci energií - bráno z hlediska primární energie. V dnešní době je pro vytápění NED až téměř nekriticky propagováno teplovzdušné vytápění. I tato forma vytápění má však své neopomenutelné nevýhody. Ke krytí potřeby tepla pro vytápění je potřebné poměrně velké množství přiváděného vzduchu, rozvod vzduchu je realizován nemalým vzduchotechnickým potrubím a nezanedbatelné, vzhledem k bilanci primární energie, je rovněž pokrytí výkonů ventilátorů. U standardně dodávaných systémů rovněž není dostatečně řešena regulace ve vazbě na okamžitou potřebu tepla a množství přiváděného čerstvého větracího vzduchu, což vede k neopodstatněné spotřebě energie v průběhu otopného období. Problémy mohou u dnešních koncepcí vznikat rovněž s hlukem a šířením pachů objektem. Z hlediska větrání se NED svým stavebním provedením většinou blíží k ?těsným? domům, kde se výměna vzduchu snížila jak pod hygienicky, tak stavebně-fyzikálně požadovanou mez. Abychom zajistili dostatečné a současně energeticky smysluplné větrání, vede nás to bezmyšlenkovitě rovnou k použití nuceného větrání. Principiálně nelze však okamžitě vyloučit ani možnost přirozeného větrání okny (infiltrace, provětrávání). Provětrávání bez příslušných větracích elementů však je nedostatečné a problematické, neboť závisí na chování uživatele.
Zajištění dostatečné výměny vzduchu tak přísluší buď použití odpovídajících větracích elementů (nastavitelné větrací mřížky u oken či ve fasádě, čtvrtá poloha u okenní konstrukce apod.) či systémům nuceného větrání. Pro první způsob hovoří možnost nastavení při extrémním větru, zlepšení hlukové exponovanosti a možnost filtrace přiváděného vzduchu oproti provětrávání a nízké investiční náklady oproti nucenému (strojnímu) větrání.
Alternativou k přirozenému větrání je nucené (strojní) větrání různého provedení a koncepce včetně zpětného získávání tepla. Tyto koncepce byly u nás již dostatečně popsány. Na základě malých výkonů pro vytápění lze použít kombinované zařízení, jehož úkolem je zajišťovat vedle větrání rovněž vytápění anebo i přípravu TV v jediné jednotce. Ve Skandinávii jsou takovéto jednotky na bázi elektrické energie poměrně rozšířené. Oproti našim podmínkám jsou tam však mnohem příznivější parametry primární energie (velký podíl vodních elektráren) a rovněž příznivější ceny elektrického proudu.
Na trhu jsou rovněž zařízení využívající teplo odváděného vzduchu v malých tepelných čerpadlech pro přípravu TV. Stejně tak lze odváděný vzduch využít v regeneračních či rekuperačních výměnících k předehřevu přiváděného větracího vzduchu či v kombinaci s tepelným čerpadlem pro vytápění.
Kabele: Hovoříme-li o nízkoenergetických budovách z pohledu systému vytápění, větrání a řízení, pak je nutno hledat taková řešení, která jsou energeticky úsporná již ve své podstatě. Představa o kombinaci více zdrojů šetřících energii (elektrokotel, tepelné čerpadlo, solární kolektory, využití tepla z krbu) je samozřejmě lákavá, nicméně při technickém řešení může dospět do strojního zařízení, jehož obslužné energie budou významně ovlivňovat celkovou spotřebu energie. Jedná se o to, že jednotlivé zdroje pracují každý v jiném časovém a teplotním režimu a k tomu, aby teplo ze zdroje mohlo být využito, musíme mít v systému místo, kam jej předat, tzn. místo s nižší teplotou, než je okamžitá teplota zdroje. Technicky to lze samozřejmě řešit, znamená to však poměrně náročný systém s akumulací, automatickým řízením, elektroventily, dobíjecími čerpadly atd. Ke slovu tedy jistě přijdou integrované systémy, jako například teplovzdušné vytápění a větrání, kdy jedním systémem zajistím dvě funkce budovy, dále pak systémy využívající přirozených fyzikálních procesů, jako je stratifikovaný zásobník tepla a systémy s přirozeným oběhem. Co se týká inteligentních budov - jedná se především o zvýšení komfortu, bezpečnost, a v neposlední řadě též k možné snížení spotřeby energie při správné obsluze. Zde vidím velký prostor pro další rozvoj odborností, neboť jak už tomu tak v současné době jest, rozvoj technologie a informační revoluce, ve které žijeme, předbíhá lidské myšlení - umíme přenést v podstatě jakoukoliv informaci kamkoliv na světě, nicméně s tím, co přenášet, si tak jisti nejsme - vezměme si jako příklad stovky dostupných televizních kanálů a jejich obsah. S potěšením musím konstatovat, že problematikou inteligentních budov nejen z pohledu vlastního technického řešení, ale i informačního obsahu, se naši studenti i doktorandi zabývají a na ČVUT toto téma programově pěstujeme.

Poznámka:
*1) Jednotlivé druhy energií lze rozdělit na:

  • primární energie - to je první nalezená energie např. ve formě fosilních látek či biomasy. Je to energie např. ve formě uhlí, ropy, zemního plynu, vyzářené sluneční energie či přírodního uranu;
  • sekundární energie - je to energie, kterou získáme přeměnou primární energie, a to ve formě, kterou spotřebitel může ve svých přístrojích využít. Je to např. elektrický proud, topný olej apod.;
  • konečná energie - charakterizuje energii, která je nakonec spotřebiteli dána k využití po odečtení transportních ztrát. Například u benzínu jsou ztrátami zbytky v přepravních tancích a odpar při přečerpávání atd.;
  • využitelná (užitečná) energie - je energie, kterou ?využívá? konečný uživatel pro konkrétní zajištění komfortu, jako je příprava TV, osvětlení, vytápění.