Úspory energie a vnitřní prostředí budov

Energie

Sám pojem energie, používaný v tomto kontextu, vyžaduje malé zastavení  a ujasnění. Energii,  skalární veličinu vyjadřující schopnost hmoty konat práci, nelze vytvořit ani zničit a patří k přírodním jevům, jejichž původ můžeme hledat v oblasti počátků vesmíru, a ani dnes si nejsme zcela jisti, odkud se energie vzala a zdali axiom o její nezničitelnosti má nekonečný časový rozměr, či nikoliv. Stejně tak skutečnost, že současné vědecké poznání dokáže známými formami energie (např. mechanická, elektrická, magnetická, tepelná, jaderná energie, temná hmota atd.) popsat přibližně 27,6 % energie,  kterou je tvořen nám známý vesmír  [1], přináší velký prostor vědcům  pro hledání dalších forem energie i naději, že další formy energie dříve či později lidstvo pozná a dokáže využít pro své přežití [2].

Teplo využívá člověk  od doby, kdy začal vědomě  používat oheň – uvádí se období před 1,5 milionu let [4], nicméně  využití tepla v tepelných strojích můžeme datovat od 1. století našeho letopočtu, kdy Héron  Alexandrijský  sestrojil  předchůdce Wattova parního stroje z roku 1765 [7]. Elektřina byla popsána Williamem Gilbertem v roce 1600, nicméně 200 let trvalo, než Volta sestrojil v roce 1800 svůj elektrický článek a začalo se rozvíjet využití elektřiny [6]. Elektromagnetické vlny byly předpovězeny v roce 1832 Faradayem a prakticky dokázány až Hertzem v roce 1887 [8]. Z historického hlediska patrně posledním významným objevem nové formy energie byla jaderná energie, kterou ve formě přirozené radioaktivity objevil roku 1896 Henri Becquerel, a teprve v roce 1938 byl proveden první úspěšný  pokus s jaderným štěpením [3].

I když od té doby do současnosti udělalo lidstvo ohromný technologický pokrok, žádný z objevů zatím významně nezvýšil poznání dalších forem energie,  které by pomohly v řešení  problému, do kterého se  naše společnost  vývojem stavitelství dostala – a to naprosté závislosti na schopnosti využívat a transformovat primární energii do formy tepla, elektřiny a různých složek spektra elektromagnetického záření – jako např. světlo,  rádiové a televizní vlny, wifi a mobilní sítě a další. Bez těchto forem energie  neumíme  nejen postavit, ale především  provozovat naprostou většinu budov, kde je využíváme  především  pro úpravu vnitřního prostředí budov pro zajištění vytápění, chlazení, kvality a dostatku vzduchu, umělého osvětlení a přípravy teplé vody. Člověkem  řízená přeměna  primární energie na teplo, elektřinu a elektromagnetické záření s sebou často  přináší vedlejší  jevy působící na životní prostředí – při výrobě tepla a elektřiny většinou vznikají emise znečišťující ovzduší a nebezpečný odpad; elektromagnetické záření má účinky na organismy [9] a řada souvisejících jevů dosud není popsána. Tyto souvislosti si lidstvo začalo od druhé poloviny 20. století uvědomovat a od počátku 21. století je začalo intenzivně sledovat a vznikly hypotézy o vlivu člověka na probíhající klimatické změny. Dramaticky rostoucí koncentrace CO₂ v atmosféře v období od začátku průmyslové revoluce, tzn. od období, kdy jsme začali intenzivně využívat znalostí o transformaci energie (obr. 1), se považuje za jednu z příčin klimatických změn projevujících se například globálním oteplováním.

Důsledkem tohoto poznání vznikl celospolečenský tlak na optimalizaci potřeby tepla a elektrické energie v budovách, který je zjednodušeně označován pojmem snižování energetické náročnosti budov a stává se významným fenoménem ovlivňujícím evropské stavitelství 21. století. Cílem této optimalizace bylo od počátku snížit potřebu tepla a elektrické energie vyráběné vůči vnějšímu prostředí nešetrným  způsobem  na minimum a zajistit ekonomickou návratnost navržených řešení. Otázku, kterou bylo nutno vyřešit, byl způsob, jak tuto „škodlivě vyráběnou a užívanou“ formu energie vyjádřit. Vyjádření pouze teplem a elektrickou energií sice postihuje stranu užití, ale nevypovídá nic o způsobu výroby těchto forem energie.

Výroba tepla a elektřiny v případě využití obnovitelných zdrojů prostředí ovlivňovat nemusí,  zatímco při použití neobnovitelných zdrojů může mít dopad na prostředí zásadní vliv. Vznikl tak pojem primární energie z neobnovitelných zdrojů, který se pro jednotlivé energonositele vyjadřuje faktorem, stanoveným v ČR vyhláškou MPO [12], kolik energie z neobnovitelných  zdrojů daný energonositel  obsahuje.  Pro příklad – solární energie využitá pro výrobu tepla nebo elektřiny má faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů rovný nule, zatímco např. zemní plyn má faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů rovný 1, což znamená, že veškerá energie obsažená v zemním plynu je z neobnovitelných zdrojů. Faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů zahrnuje i energii potřebnou k výrobě daného energonositele,  a tak např. pro dřevěné peletky je faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů roven hodnotě 0,2, což znamená, že 20 % energie obsažené v dřevěných peletkách bylo užito na jejich výrobu a tato energie je neobnovitelná. Nejvyšší  faktor má elektřina – v současnosti  je roven 3, pro připravované znění vyhlášky  je očekávána  hodnota 2,6 [13], což odráží způsob výroby elektřiny v ČR, který je z velké části založen na tepelných elektrárnách spalujících uhlí (z 10 % na obnovitelných zdrojích, z 31 % na jaderné energii, z 51 % na uhlí a z 8 % na zemním plynu, viz [22]), a vyjadřuje primární energii obsaženou v palivu i ztráty v procesu výroby elektřiny.

Energetická náročnost budov

Analýza užití energie v budovách stavěných podle standardů konce 20. století ukázala, že budovy na svůj provoz, spojený s tvorbou vnitřního prostředí a přípravu teplé vody, užívají přibližně 40 % celkově vyrobeného tepla a elektřiny a současně  že existují technické prostředky na snížení této potřeby a technologie umožňující postupně nahrazovat vůči přírodě nešetrnou výrobu tepla a elektřiny spalováním fosilních zdrojů využitím obnovitelných zdrojů. Zákony,  směrnice  i technické  normy postupně zpřísňovaly požadavky na množství tepla a elektřiny užité v budovách a vyrobené z neobnovitelných zdrojů energie až ke stavu v roce 2020, kdy všechny novostavby musí splňovat požadavek na budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Tento pojem definovaný zákonem  [15] vyjadřuje cíl navrhovat budovy tak, aby pro zajištění požadovaného stavu vnitřního prostředí z hlediska vytápění, chlazení, větrání, úpravy vlhkosti vzduchu i osvětlení a dále pro přípravu teplé vody užívaly co nejméně tepla i elektřiny a současně  na výrobu tepla a elektřiny potřebného pro provoz budovy bylo využíváno ve značném rozsahu obnovitelných zdrojů energie. S ohledem na tuzemské klimatické podmínky se za časovou  základnu pro posuzování budov bere jeden rok tak, aby byla zohledněna všechna roční období.

Množství tepla a elektřiny a z toho stanovené množství primární energie z neobnovitelných zdrojů potřebné pro pokrytí potřeby výše uvedených funkcí budovy závisí na více faktorech, z nichž hlavními jsou:
■ klimatické podmínky;
■ požadovaný stav vnitřního prostředí a potřeba teplé vody;
■ architektonicko-stavební řešení (např. obálka budovy, orientace ke světovým stranám, dispoziční řešení);
■ technické systémy  zajišťující dodávku tepla a elektřiny;
■ dostupné energonositele.

Pro vyjádření a názornou informaci o technickém řešení budovy z hlediska energetické náročnosti byl zaveden průkaz energetické náročnosti budovy, který přes všechny problémy spojené s jeho zaváděním i zpracováním plní v tomto okamžiku své původní poslání – vytvořit nástroj pro porovnání budov z hlediska energetické náročnosti a zvýšit zájem veřejnosti o energeticky vědomé chování při užívání budov.

Vývoj od roku 2000 zaměřený na snižování energetické náročnosti budov však  ukázal, že jednostranné zaměření  pouze na snižování užití energie reprezentované spotřebou tepla a elektřiny a využití obnovitelných zdrojů má přesah do dalších oblastí. V oblasti dopadu na vnější prostředí pozorujeme nejvýraznější změny v rozvoji infrastruktury vnějších sítí, které musí reagovat na nové požadavky na distribuci tepla a elektřiny např. formou chytrých sítí, jež by měly umět obousměrně přenášet teplo a elektrickou energii, zahušťující se zástavba s nízkým podílem modrých a zelených ploch zvyšuje  venkovní teplotu vlivem jevu nazývaného tepelný ostrov, což spolu s pomalu, ale jistě rostoucí venkovní teplotou zvyšuje nároky na chlazení a snižuje nároky na vytápění budov. Dramatický a diskutovaný rozvoj je v oblasti nových komunikačních sítí pro přenos informací a s tím související změny zatížení vnějšího  prostředí elektrosmogem.  Ve spojení se  snižující se odolností naší civilizace vůči působení přírodních jevů, kterými je například vegetační období travin a květů stromů i aktuální pandemie virových onemocnění, se vnitřní prostředí, které individuálně v každé budově uměle a řízeně vytváříme, dostává do centra pozornosti investorů i uživatelů a změny vyvozené především snižováním energetické náročnosti je nutno citlivě a pečlivě vnímat a v návrhu i provozu budov na ně reagovat.

V tomto článku bychom se chtěli zaměřit především na některé nové jevy v oblasti kvality vnitřního prostředí, se kterými jsme měli možnost se setkat v průběhu projektů smluvního i základního výzkumu, prováděného na katedře TZB Fakulty stavební ČVUT v Praze v uplynulých letech.

Vnitřní prostředí budov aneb v čem žijeme

Vnitřní prostředí je životní prostředí v interiéru budov, které obklopuje živé organismy, se kterými je ve vzájemné interakci a neustále tak spoluvytváří jejich výsledný stav. Jednotlivé složky vnitřního prostředí, např. teplo, vodní páry, toxické látky, aerosoly, odéry, mikroby, světlo, akustické vlnění, ionizující záření atd., vytvářejí toky přenášené prostorem, vzduchem či kontaktními tělesy, kterými na živé subjekty působí, a jejich reakcí dochází ke vzájemné interakci.

Na rozdíl od energetické náročnosti budovy, kterou lze vyjádřit měřitelnou hodnotou – například primární energií z neobnovitelných zdrojů a na základě exaktních metod stanovit meze pro její hodnocení, v případě kvality vnitřního prostředí jde o velmi složitý soubor fyzikálních, chemických  i sociálních  reakcí mezi  uživatelem  a stavbou a jedná se o jevy zasahující  do oblasti technických, přírodních i lékařských věd. Současný pohled používá pro kvantifikaci vnitřního prostředí zjednodušený model popisující a hodnotící jednotlivé složky prostředí zvlášť – tepelný komfort, kvalitu vzduchu, akustiku, osvětlení, působení elektro-magnetických, elektro-statických a dalších polí a působení budovy na psychiku člověka. Cílem tvorby vnitřního prostředí je dosáhnout stavu, jejž nazýváme „pohoda prostředí“ – optimální stav, kdy uživatel prostředí nevnímá a může se plně soustředit na danou činnost, kterou může být práce, sport, odpočinek nebo zábava.

Člověk však vnímá prostředí jako celek, což současná  praxe hodnocení prostředí ne zcela reflektuje – běžně vyhodnocujeme  nezávisle jednotlivé složky bez vzájemných souvislostí  a někdy s překvapením zjišťujeme, že i když všechny parametry jednotlivých složek vnitřního prostředí jsou zdánlivě v pořádku, přesto si uživatel na prostředí stěžuje.

Jak zjistit stav prostředí?

Metody, které používáme pro zjišťování stavu a hodnocení vnitřního prostředí, jsou proto založeny na dvou principech – objektivním a subjektivním. Objektivní metody vycházejí z měření fyzikálních veličin (obr. 2). a jejich porovnání s limity danými hygienickými předpisy nebo doporučenými hodnotami a jsou nezávislé na uživateli.

Tyto metody však až na výjimky nepostihují vzájemné vazby mezi jednotlivými složkami prostředí a vyhodnocení řeší jednotlivé měřené veličiny nezávisle – teplota vzduchu, vlhkost, koncentrace CO₂ apod. Problémem těchto metod je vhodné nastavení referenčních optimálních hodnot, které by měly vyjadřovat dosažení pocitu pohody prostředí a dále limity, v jakých by se daná měřená veličina měla pohybovat. V současnosti používané hodnoty optimálních teplot, rychlostí proudění vzduchu, ukazatelů kvality vzduchu, osvětlení i zvuku jsou stanoveny pro budovy, jejichž vlastnosti se v podstatě přirozeně vyvíjely po mnoho generací a byly výsledkem přirozené optimalizace řešení budov – např. z hlediska procenta prosklení a netěsnosti obálky budovy, použitých materiálů, pravidel pro orientaci budovy, způsobu vytápění i větrání. Dáme-li vedle sebe dům postavený v 19. století a dům postavený ve 20. století, tak z hlediska těchto vlastností příliš rozdílů nenajdeme.  Současný stav tento přirozený vývoj stavitelství narušil a zavedením jednostranně cílených omezení (např. plnění výše zmíněných požadavků na energetickou náročnost) se změnilo nejen chování budov, ale i požadavky uživatelů.

Subjektivní metody jsou založeny na přímé reakci uživatelů a využívají nejčastěji dotazníkových průzkumů (obr. 3). Výsledky dotazníkových průzkumů  při dostatečném  počtu respondentů po statistickém  vyhodnocení poskytnou informaci o skutečném vnímání daného prostředí uživateli, která v mnoha případech indikuje, že stávající referenční hodnoty používané pro objektivní hodnocení kvality prostředí je třeba aktualizovat a vazby mezi naměřenými hodnotami a subjektivním vnímáním prostředí jsou složitější. Doba, po kterou tyto změny ve vnímání prostředí pozorujeme, je však z hlediska vývoje krátká, a tak se nacházíme v období, kdy tyto jevy v moderních budovách s nízkou spotřebou energie jsou vědeckými týmy intenzivně sledovány a nové zákonitosti a souvislosti se hledají.

Kvalita vnitřního prostředí má velký vliv na uživatele a nevyhovující podmínky nejen že snižují produktivitu práce, ale mohou mít negativní vliv na zdravotní stav a nemocnost a ekonomické důsledky  mohou být závažné.

Podívejme se nyní na některé příklady použití metod pro diagnostiku a řešení otázek spojených s kvalitou vnitřního prostředí v moderních budovách souvisejících  s úsporami energie.

Tepelná pohoda

Tepelná pohoda, tepelný komfort je subjektivně podmíněný proces související  s tepelně-vlhkostní složkou vnitřního prostředí. Jedná se o stav mysli, který vyjadřuje uspokojení s tepelným prostředím [16]. Podle v současnosti  používaných fyzikálních modelů je tepelného komfortu dosaženo, je-li zajištěna tepelná rovnováha při optimálních hodnotách fyziologických parametrů lidského těla. Tuto rovnováhu ovlivňuje řada parametrů; fyzická činnost člověka, tepelný odpor oděvu člověka, teplota vzduchu, teplota okolních povrchů, proudění vzduchu a relativní vlhkost vzduchu.

Nepřímý vliv na tepelnou pohodu mají i venkovní klimatické podmínky, zejména v letním období. Tohoto poznatku využívá tzv. adaptivní model tepelné pohody, kdy je požadovaná vnitřní teplota nastavena v závislosti na venkovní teplotě.

Fyzikální model používaný pro vyjádření tepelné rovnováhy vychází z rovnováhy mezi tepelnou produkcí člověka, jehož metabolické teplo je ovlivněno především fyzickou aktivitou, a sdílením tohoto tepla mezi člověkem a okolím.

Celý článek naleznete v archivu čísel (06-07/2020).