EPBD IV.: Transformace bytového domu na budovu s téměř nulovými emisemi CO2

1. Úvod

Článek se zaměřuje na transformaci stávajícího bytového domu na budovu s ěř nulovými emisemi v souvislosti se směrnicí EPBD IV. Celkově bylo hodnoceno pět parametrů: průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy Uem, primární energie z neobnovitelných zdrojů, měrná potřeba tepla na vytápění, celková dodaná energie a emise CO2. Bylo navrženo pět variant opatření, která se týkala obálky budovy i technických zařízení budovy. V článku byly zvažovány dva zdroje tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Nejprve byly vyhodnoceny varianty s centrálním zásobováním teplem a následně s tepelným čerpadlem.

V březnu 2024 byla poslanci Evropského parlamentu schválena čtvrtá verze směrnice o energetické náročnosti budov (EPBD IV). Směrnice je součástí balíčku „Fit for 55“. V něm se Evropská unie zavázala snížit do roku 2030 emise skleníkových plynů o 55 % oproti roku 1990. Druhou metou je dosažení klimatické neutrality do roku 2050. Hlavním cílem směrnice je definice budov s ěř nulovými emisemi (nZEmB). Tato směrnice nezohledňuje pouze celkovou dodanou energii nebo primární energii z neobnovitelných zdrojů, ale soustředí se i na hodnocení životního cyklu budovy (LCA). Očekávají se rozsáhlé renovace existujících budov tak, aby všechny stávající budovy splňovaly definici budovy s ěř nulovými emisemi do roku 2050. S ohledem na směrnici bude potřeba energie těchto budov pokryta zejména z obnovitelných zdrojů získaných přímo v budově nebo jejím blízkém okolí. Většina nových budov splňuje kritéria budov s ěř nulovou spotřebou energiemi, to se však nemusí shodovat s požadavky na nZEmB [1].

Revitalizaci stávajícího bytového fondu se věnuje celá Evropská unie. Autoři studie z Dánska srovnávali dva bytové domy před jejich renovací a po ní. Snažili se splnit hodnoty standardu Passivhouse [2]. Na jihu Evropy se vědci věnovali zateplení dvou rodinných domů ve Španělsku a Portugalsku. Nejčastější třída obálky budovy ve Španělsku je E. Objekty byly vyhodnoceny podle snížení emisí oxidu uhličitého [3, 4]. Další portugalská studie došla k závěru, že nejdůležitější je zateplení střechy objektu [5]. Autoři polské studie se věnovali zateplení bytových domů s ohledem na hydraulické vyregulování otopné soustavy po zateplení. U objektů, kde došlo k vyregulování soustavy zároveň se zateplením, byla návratnost investice čtyřikrát kratší [6]. Slovenští autoři zase poukazují na vhodnost instalace nuceného větrání u revitalizovaných budov [7].

2. Materiály a metody

2.1 Popis objektu

Pro účely studie uvedené v tomto článku byl vybrán bytový dům, na němž bylo provedeno několik simulací energetické bilance. Simulace byly provedeny jak pro stávající stav, tak pro různé varianty úsporných opatření. Budova byla hodnocena hodinovou metodou, simulace byla provedena pro jeden rok. Vstupními údaji pro výpočtový model jsou klimatické údaje, hodnoty součinitele prostupu tepla a plochy jednotlivých konstrukcí, technická zařízení budov a další okrajové podmínky. Budova má jedno podzemní a tři nadzemní podlaží.

Obr. 2 Bytový dům ve stávajícím stavu – východní fasáda

Na obrázku 1 je znázorněn půdorys budovy. Obrázek 2 zachycuje stávající stav budovy. Střecha objektu je plochá. Dům je zděný, tloušťka stěn je 300 a 450 mm. Střecha není pochozí a je tvořena z keramických tvárnic vsazených mezi ocelové profily. Na nich je 150 až 250 mm škváry, následně betonová mazanina o tloušťce 50 mm a asfaltová izolace. Podlaha suterénu je betonová. Bytový dům má původní dřevěná okna s dvojsklem. Tabulka 1 znázorňuje základní parametry budovy v původním stavu, konkrétně plochu a součinitel prostupu tepla jednotlivých konstrukcí a průměrný součinitel tepla budovy. Skladby jednotlivých konstrukcí byly získány z projektové dokumentace objektu.

Budova je napojena na centrální zásobování teplem. Teplárna spaluje zejména uhlí, ale využívá také biomasu a bioplyn. Tyto obnovitelné zdroje energie tvoří zhruba 11 % [8]. Předávací stanice se nachází v suterénu. Teplá voda je rovněž připravována pomocí dálkového vytápění. Zásobník teplé vody má objem 500 litrů. Budova je přirozeně větrána, pouze v koupelnách a na samostatných WC jsou malé odsávací ventilátory.

Všechny výpočty byly provedeny v softwaru DEKSOFT za použití hodinové metody výpočtu [9]. Pro výpočet byly použity lokální klimatické údaje, které byly přepočítány denostupňovou metodou. Model byl následně upraven tak, aby odpovídal skutečné spotřebě budovy dle roku 2022. Pro výpočet byla budova rozdělena do tří zón. Podrobná specifikace zón je v tabulce 2.

2.2 Opatření

Úsporná opatření byla provedena ve dvou skupinách. První skupina zahrnovala stavební konstrukce, druhá se věnovala sysům TZB.

Obvodové stěny budovy byly zatepleny 280 mm expandovaného polystyrenu, sokl byl zateplen extrudovaným polystyrenem o tloušťce 180 mm. V obou případech byl součinitel tepelné vodivosti λ = 0,039 W·m−1·K−1. Pro zateplení střechy bylo uvažováno 340 mm expandovaného polystyrenu s λ = 0,038 W·m−1·K−1. Strop suterénu byl zaizolován minerální vatou o tloušťce 140 mm a λ = 0,044 W·m−1·K−1. Původní dřevěná okna byla vyměněna za nová plastová s izolačním trojsklem a hodnotou Uw = 0,7 W·m−2·K−1. Původní vstupní dveře nahradily nové, plastové s izolačním trojsklem, se součinitelem prostupu tepla 0,9 W·m−2·K−1. Všechny konstrukce obálky budovy byly zatepleny tak, aby splňovaly hodnotu součinitele prostupu tepla pro pasivní budovy. V tabulce 3 jsou uvedeny hodnoty pro jednotlivé konstrukce a průměrná hodnota pro celou budovu.

Druhá skupina opatření se věnovala sysům TZB. Původní žárovky byly plošně vyměněny za LED světla. Na střechu objektu bylo instalováno třicet fotovoltaických panelů a třicet solárních kolektorů. Oba druhy panelů jsou orientovány na jih a mají sklon 15°. V rámci navržených opatření bylo do všech bytových jednotek instalováno rovnotlaké nucené větrání se zpětným získáváním tepla (ZZT). Účinnost ZZT je 80 %.

Ze dvou skupin opatření vzniklo celkem šest variant, které byly dále vyhodnoceny. Jejich popis je v tabulce 4. První varianta je stávající stav objektu. Další tři varianty zohledňují nejprve dříve popsaná provedená opatření jednotlivě a následně jejich kombinaci. V posledních třech variantách dochází ke změnám zdroje tepla. Varianta Z01 uvažuje ponechání současného zdroje tepla, a tak jsou ve výsledku varianty V03 a Z01 totožné.

3. Výsledky

V rámci studie bylo vyhodnoceno pět kritérií: průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy Uem, primární energie z neobnovitelných zdrojů, měrná potřeba tepla na vytápění, celková dodaná energie a emise CO2.

3.1 Průměrný součinitel prostupu tepla obálkou budovy Uem

Ač bylo provedeno celkem šest výpočtů, výsledkem jsou pouze dvě hodnoty Uem. Pro původní stav objektu je Uem = 1,35 W·m−2·K−1, kompletně zateplený dům má pak hodnotu Uem = 0,21 W·m−2·K−1. Došlo tak ke zlepšení o 84,4 %. Zateplení budovy má významný vliv na ostatní sledované veličiny. Otázkou do budoucna je, jaké budou požadavky na součinitel prostupu tepla u budov s ěř nulovými emisemi. Lze očekávat, že budou spíše přísnější než ty současné pro pasivní domy.

3.2 Primární energie z neobnovitelných zdrojů

V současné době je primární energie z neobnovitelných zdrojů nejdůležitějším faktorem při hodnocení energetické náročnosti budov. Tabulka 5 popisuje hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů pro jednotlivé varianty.

Stávající stav budovy má hodnotu této energie 226 kWh·m−2 za rok. Kompletním zateplením objektu dojde k poklesu o 63 % na hodnotu 84,6 kWh·m−2 za rok. Pro porovnání je vhodné uvést, že při opatřeních na straně TZB klesne tato hodnota pouze o 32 %. Kombinací těchto dvou opatření ve variantě Z01 je hodnota primární energie z neobnovitelných zdrojů 9,42 kWh·m−2 za rok. U varianty Z02, kde je v rámci CZT uvažováno s více než 80 % neobnovitelných zdrojů je tato hodnota dokonce záporná. Je to způsobeno přebytkem energie vyrobené fotovoltaickými panely, která je dodávána do distribuční sítě, a nízkým koeficientem primární energie pro výrobu teplé vody a tepla. Ze všech variant se změnou zdroje tepla vychází nejhůře V03 s tepelným čerpadlem. Opět má na tuto hodnotu značný vliv koeficient primární energie.

3.3 Potřeba tepla na vytápění

V současné době ještě stále není určena přesná definice budovy s ěř nulovými emisemi. Pro účely této studie byla využila kritéria pro pasivní dům, kterým je objekt, jehož potřeba tepla na vytápění nepřesáhne za rok 15 kWh·m−2. Z tabulky 5 je zřejmé, že tento požadavek byl splněn ve variantách Z01, Z02 a Z03, tedy ve všech variantách se zateplenou obálkou budovy a s využitím ZZT. Naopak z varianty V01 lze vyčíst, že pouhé zateplení domu pro docílení této hodnoty nestačí.

3.4 Celková dodaná energie

Celková dodaná energie je součet dodané energie na technologie a dodané pomocné energie. Přehled celkové dodané energie pro všechny varianty je v tabulce 6.

Nejvyšší množství celkové dodané energie má stávající budova. Varianta V02 poukazuje na to, že opatření pouze na straně TZB nejsou dostatečná pro dosažení optimálních hodnot a mnohem lepší je budovu zateplit. Z porovnání variant se změnou zdroje tepla vyplývá, že o pět desetin se jako lepší jeví instalace tepelného čerpadla oproti CZT.

3.5 Emise CO2

Graf na obrázku 3 znázorňuje emise CO2 jednotlivých variant. Tabulka 7 obsahuje hodnoty koeficientů emisí oxidu uhličitého, které byly převzaty z vyhlášky o energetickém auditu č. 140/2021 Sb. Emise CO2 byly stanoveny na základě těchto koeficientů a celkové dodané energie, jednotlivě dle energonositelů.

Obr. 3 Emise CO2 pro jednotlivé varianty

Nejnižší podíl emisí má varianta Z02, tedy sys CZT s více než 80% podílem obnovitelných zdrojů energie, následována variantou Z01 a Z03. Z grafu lze vyčíst, že varianta s tepelným čerpadlem má vyšší emise CO2 než CZT. Vysoký koeficient emisí oxidu uhličitého u elektřiny v České republice je dán vysokým podílem elektřiny vyráběné spalováním uhlí. Podíl obnovitelných zdrojů na výrobě elektřiny je dle údajů z roku 2023 necelých 16 % [10], přičemž se tento podíl neustále navyšuje. Produkce nulových emisí CO2 nebylo v této studií dosažené u žádné z variant.

4. Závěr

V současné době není známá přesná definice budov s ěř nulovými emisemi, kterou budou muset stavby v roce 2050 splňovat. Legislativní proces nebyl zatím dokončen. Dá se pouze předpokládat, že podmínky budou přísnější než současné požadavky pro budovy s ěř nulovou spotřebou energie. Pravděpodobně nebude nutné u všech budov dosáhnout čistě nulových emisí CO2. Některé domy by této „nulové“ hranice mohly dosáhnou snáz, u některých by to bylo možné jen za předpokladu vynaložení enormních nákladů na renovaci.

Studie dává najevo, že není možné určit jednoznačně nejlepší možnou variantu renovace s ohledem na vícero parametrů. Bude záležet na tom, které kritérium bude zvoleno pro vyhodnocování v České republice. Žádná z variant nevyniká ve všech parametrech ve srovnání s ostatními. Pouze varianta Z02 (CZT s vyšším než 80% podílem obnovitelných zdrojů energie) vykazuje nejnižší hodnoty emisí CO2. Pokud bychom zvolili kritérium CO2 jako rozhodující, tak pak je nejlepší varianta Z02.

Zřejmé je, že k dosažení standardu budov s ěř nulovými emisemi bude potřeba provést důkladné a nákladné revitalizace bez ohledu na výsledné hodnotící kritérium.

Při výpočtech v článku byly použity emisní faktory CO2 uvedené ve vyhlášce o energetickém auditu č. 140/2021 Sb. Jde o dnes již zastaralé hodnoty, z nichž některé, zvláště u elektřiny, neodpovídají reálnému energetickému mixu v ČR. Pro výpočet budov s ěř nulovými emisemi bude proto velice důležité, jaké závazné hodnoty emisních faktorů stanoví budoucí právní předpisy. Velmi pravděpodobně budou hodnoty emisních faktorů jiné než stávající z uvedené vyhlášky. V článku jsou uvedeny spotřeby energií a tak, v případně zajmu, si konkrétní hodnoty emisí CO2 vypočtené pro posuzovaný bytový dům může čtenář sám přepočítat na jiné velikosti emisních faktorů, zatím však jen podle vlastní úvahy.

Literatura

Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings (recast) – 2021
https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12910-Energy-efficiency-Revision-of-the-Energy-Performance-of-Buildings-Directive_en
Jørgen Rose, Jesper Kragh, Kasper Furu Nielsen, Passive house renovation of a block of flats – Measured performance and energy signature analysis, Energy and Buildings, 2022, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111679
Marta Monzón-Chavarrías, Belinda López-Mesa, Jaime Resende, Helena Corvacho, The nZEB concept and its requirements for residential buildings renovation in Southern Europe: The case of multi-family buildings from 1961 to 1980 in Portugal and Spain, Journal of Building Engineering, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101918
Pedro Palma, Joao Pedro Gouveia, Ricardo Barbosa, How much will it cost? An energy renovation analysis for the Portuguese dwelling stock, Sustainable Cities and Society, 2022, https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.103607
M. Gangolells, M. Casals, N. Forcada, M. Macarulla, E. Cuerva, Energy mapping of existing building stock in Spain, Journal of Cleaner Production 112 (2016) 3895-3904, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.05.105
Tomasz Cholewa, Constantinos A. Balaras, Sandro Nižetić, Alicja Siuta-Olcha, On calculated and actual energy savings from thermal building renovations – Long term field evaluation of multifamily buildings, Energy and Buildings, 2020, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110145
V. Földváry, G. Beko, S. Langer, K. Arrhenius, D. Petráš, Effect of energy renovation on indoor air quality in multifamily residential buildings in Slovakia, Building and Environment 122 (2017) 363-372,
https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.06.009
Dokumenty teplárny Zlín ke stažení. Sev.en Česká energie [online]. Dostupné z:
https://www.7.cz/cz/cinnosti/dokumenty-zlin.html
DEKSOFT. DEKPROJEKT s.r.o. [online] Dostupné z: https://deksoft.eu/
Jak probíhá výroba a prodej elektřiny EU?, 2024. Consilium [online]. 4. 4. 2024 Dostupné z:
https://www.consilium.europa.eu/cs/infographics/how-is-eu-electricity-produced-and-sold/

Poděkování projektu

Článek vznikl za podpory projektu: Specifický výzkum VUT Brno FAST-S-25-8727 Udržitelné sysy a soustavy TZB.