Software pro výpočet energetické náročnosti budov

Doc. Dr. Ing. Zbyněk Svoboda

V příspěvku jsou úvodem stručně popsány základní principy výpočtu energetické náročnosti budov podle vyhlášky č. 148/2007 Sb. a souvisejících evropských norem. Dále jsou komentovány možnosti programu Energie určeného pro hodnocení energetických bilancí budov a zpracování energetických štítků a průkazů energetické náročnosti budov.

Princip výpočtu energetické náročnosti budov

Výpočet energetické náročnosti budov, tzn. celkové dodané energie na vytápění, chlazení, přípravu teplé vody, mechanické větrání, úpravu relativní vlhkosti vnitřního vzduchu a osvětlení, se provádí na základě evropské směrnice 2002/91/ES EPBD a národních prováděcích vyhlášek (v ČR se jedná o vyhlášku 148/2007 Sb.) v souladu s EN ISO 13790 a podle metodiky národního hodnocení energetické náročnosti budov, publikované např. v [1].

Celková roční dodaná energie (tj. energetická náročnost budovy EP) se stanovuje z obecného vztahu:

(1)

kde Q_fuel,H je roční spotřeba energie na vytápění [GJ], Q_fuel,C je roční spotřeba energie na chlazení [GJ], Q_fuel,F je roční spotřeba energie na mech. větrání a úpravu relativní vlhkosti vnitřního vzduchu [GJ], Q_fuel,W je roční spotřeba energie na přípravu teplé vody [GJ], Q_fuel,L je roční spotřeba energie na osvětlení [GJ], Q_el,PV je roční produkce elektřiny fotovoltaickými články [GJ] a Q_el,CHP je roční produkce elektřiny kogeneračními jednotkami [GJ].

Detailní popis výpočtu jednotlivých hodnot přesahuje rámec příspěvku, ale pro ilustraci se podívejme alespoň na základní vztahy. Roční spotřeba energie na vytápění Q_fuel,H se stanoví obecně jako součet měsíčních spotřeb energie na vytápění Q_fuel,H,j, přičemž dílčí spotřeba energie na vytápění v j-tém měsíci se určí jako součet spotřeb energie dodávaných jednotlivými zdroji tepla. V roční spotřebě energie na vytápění Q_fuel,H je zahrnuta i pomocná energie na vytápění, tj. energie na provoz čerpadel. Používá se vztah

(2)

kde n je počet zdrojů tepla, Q_H,dis,j je měsíční spotřeba energie dodané do distribučního systému vytápění [GJ], f_H,z je podíl z dodané energie připadající na z-tý zdroj tepla [-], h_H,z je celková účinnost výroby tepla z-tým zdrojem tepla [-] a Q_aux,H je celková roční dodaná pomocná energie na provoz čerpadel [GJ]. Měsíční spotřeba energie dodané do distribučního systému vytápění se stanoví ze vztahu:

(3)

kde Q_H,nd,j je potřeba tepla na vytápění v j-tém měsíci [GJ], f_H,ahu je podíl potřeby tepla dodávaný VZT jednotkami [-], f_vent je podíl času se spuštěným mechanickým větráním [-], h_H,em je účinnost sdílení tepla mezi vytápěným prostředím a koncovými prvky otopné soustavy (např. tělesy) [-], Q_H,ahu,j je část potřeby tepla na vytápění dodávaná do zóny v j-tém měsíci VZT jednotkami [GJ], h_H,em,ahu je účinnost sdílení tepla mezi vytápěným prostředím a VZT vyústkami [-], h_H,dis je účinnost systému distribuce tepla [-] a Q_H,sc,j je teplo pro vytápění vyrobené v solárních kolektorech v j-tém měsíci [GJ]. Ve vztazích (2) a (3) se tedy uplatní rozmanité účinnosti od výroby tepla po jeho emisi. Základní fyzikálně odůvodněná potřeba tepla na vytápění Q_H,nd,j bez těchto účinností se stanoví ze vztahu

(4)

v němž Q_H,ht,j je potřeba tepla na pokrytí tepelné ztráty v j-tém měsíci [GJ], Q_H,gn,j je velikost tepelných zisků v j-tém měsíci [GJ] a h_H,gn je stupeň využitelnosti tepelných zisků [-]. Všechny uvedené hodnoty se stanovují v souladu s EN 13790 a dalšími navazujícími normami.

Pro spotřebu energie na chlazení Q_fuel,c se používá velmi podobný přístup. Použije se vztah

(5)

kde n je počet zdrojů chladu, Q_C,dis,j je měsíční spotřeba energie dodané do distribučního systému chlazení [GJ], f_C,z je podíl z dodané energie připadající na z-tý zdroj chladu [-], COP_C,z je poměr mezi chladícím výkonem a příkonem z-tého zdroje chladu [-], q_r,z je specifický součinitel odběru elektřiny závislý na typu zpětného chlazení [-], h_C,z je celková účinnost výroby chladu z-tým zdrojem [-] a Q_aux,C je celková roční dodaná pomocná energie na provoz čerpadel chladící soustavy [GJ]. Analogii s vytápěním lze nalézt i ve vztahu pro výpočet měsíční spotřeby energie dodané do distribučního systému chlazení:

(6)

kde Q_C,nd,j je potřeba energie na chlazení v j-tém měsíci [GJ], f_C,ahu je podíl potřeby chladu dodávaný VZT jednotkami [-], f_vent je podíl času se spuštěným mechanickým větráním [-], h_C,em je účinnost sdílení chladu mezi chlazeným prostředím a koncovými prvky chladící soustavy [-], Q_C,ahu,j je část potřeby energie na chlazení dodávaná do zóny v j-tém měsíci VZT jednotkami [GJ], h_C,em,ahu je účinnost sdílení chladu mezi chlazeným prostředím a VZT vyústkami [-] a h_C,dis je účinnost systému distribuce chladu [-]. Analogie s vytápěním je zřetelná rovněž ve výpočtu potřeby energie na chlazení:

(7)

v němž Q_C,gn,j je velikost tepelných zisků v j-tém měsíci [GJ], Q_C,ht,j je celkový přenos tepla mezi interiérem a exteriérem (ztráta/zisk) v j-tém měsíci [GJ] a h_C,ls je stupeň využitelnosti tepelných ztrát [-]. V případě, kdy jsou tepelné zisky Q_C,gn,j záporné (tj. není třeba chladit), se uvažuje i Q_C,nd,j = 0 a využitelné tepelné ztráty se nestanovují.

Roční spotřeba energie na úpravu vlhkosti vnitřního vzduchu a na mechanické větrání Q_fuel,F se stanoví jako součet měsíčních spotřeb energie na úpravu vlhkosti vnitřního vzduchu a pomocné energie na provoz ventilátorů. Používá se vztah

(8)

kde Q_fuel,RH+ je roční spotřeba energie na zvlhčování vzduchu [GJ], Q_fuel,RH- je roční spotřeba energie na odvlhčování vzduchu [GJ] a Q_aux,F je roční pomocná energie na provoz ventilátorů mechanického větrání [GJ].

Roční spotřeba energie na přípravu teplé vody Q_fuel,W se stanoví jako součet měsíčních spotřeb energie na přípravu teplé vody Q_fuel,W,j, přičemž dílčí spotřeba energie na přípravu teplé vody v j-tém měsíci se určí jako součet spotřeb energie dodávaných jednotlivými zdroji tepla. V roční spotřebě energie na přípravu teplé vody Q_fuel,W je zahrnuta i pomocná energie na přípravu teplé vody, tj. energie na provoz čerpadel. Používá se vztah

(9)

kde n je počet zdrojů tepla, Q_W,dis,j je měsíční spotřeba energie dodané do distribučního systému přípravy teplé vody [GJ], f_W,z je podíl z dodané energie připadající na z-tý zdroj tepla [-], h_W,z je celková účinnost přípravy teplé vody z-tým zdrojem tepla [-] a Q_aux,W je roční dodaná pomocná energie na provoz čerpadel systému přípravy teplé vody [GJ].

Roční spotřeba energie na osvětlení Q_fuel,L se stanoví jako součet měsíčních spotřeb energie na osvětlení Q_fuel,L,j. Používá se vztah

(10)

kde F_lt,j je průměrný příkon elektřiny na osvětlení v j-tém měsíci [W] a t_j je délka j-tého měsíce [h].

Zbývají produkce energie. Celková roční produkce energie solárními kolektory Q_e,sc se stanoví ze vztahu

(11)

kde n je počet solárních kolektorů, A_k je plocha solárního kolektoru [m²], I_sol,j,k je množství dopadající sluneční energie na k-tý kolektor v j-tém měsíci [GJ/m²], F_sh,ob,k je korekční činitel stínění k-tého kolektoru pevnými překážkami [-] a h_sc,k je celková účinnost získávání energie v k-tém solárním kolektoru [-].

Celková roční produkce energie fotovoltaickými články Q_el,PV se stanoví velmi podobně:

(12)

kde n je počet fotovoltaických článků, A_k je plocha k-tého fotovoltaického článku [m²], I_sol,j,k je množství dopadající sluneční energie na k-tý FV článek v j-tém měsíci [GJ/m²], F_sh,ob,k je korekční činitel stínění k-tého FV článku pevnými překážkami [-] a h_PV,k je celková účinnost získávání elektřiny v k-tém FV článku [-].

A konečně celková roční produkce energie kogeneračními jednotkami Q_el,CHP se stanoví ze vztahu

(13)

kde n je počet kogeneračních jednotek, h_el,CHP,k je účinnost výroby elektřiny v k-té kogenerační jednotce [-] a Q_fuel,CHP,j,k je celková spotřeba energie dodaná do k-té kogenerační jednotky v j-tém měsíci v souvislosti s jejím provozem [m²].

Detailní popis jednotlivých vztahů a jejich na ně navazujících výpočtů je možné nalézt např. na fakultních webových stránkách autora příspěvku (http://people.fsv.cvut.cz/~svobodaz/).

Software Energie 2008

Hodnocení energetické náročnosti budov lze sice provést podle výše popsané metodiky i ručně, ale jedná se o dosti časově náročný výpočet. Praktičtější je proto použít některý z dostupných programů. Projektanti mají zatím na výběr ze tří možností. Zcela zdarma je excelovský spreadsheet Národní kalkulační nástroj z dílny katedry TZB FSv ČVUT v Praze [2], který je možné získat přes webové stránky této katedry. Komerční programy zastupují produkty ENB firmy Protech s.r.o. [3] a Energie autora tohoto příspěvku [4]. Podívejme se ve stručnosti na druhý z nich.

Obr. 1   Zadávací formuláře programu Energie 2008 s pomocným výpočtem

Software Energie 2008 je novou verzí již 8 let existujícího programu. Program dosud umožňoval výpočet potřeby energie na vytápění podle již neplatné vyhlášky 291/2001 Sb. a výpočet průměrného součinitele prostupu tepla podle ČSN 730540. Nově umožňuje výpočet celkové roční dodané energie zahrnující spotřebu energie na vytápění, chlazení, přípravu teplé vody, úpravu vlhkosti vzduchu, mechanické větrání, osvětlení a pomocná zařízení. V energetické bilanci program zohledňuje i produkci energie v solárních kolektorech, fotovoltaických článcích a v kogeneračních jednotkách. Z vypočtené celkové roční dodané energie lze následně stanovit množství primární energii a velikost emisí CO₂.

Samotný výpočet lze v programu provést několika metodikami. Podporován je výpočet se sezónním krokem (pro jednodušší, jen vytápěné budovy), s měsíčním krokem podle vyhlášky 148/2007 Sb. a s měsíčním krokem pro nízkoenergetické domy podle nově připravované metodiky prof. Ing. J. Tywoniaka, CSc.

Obr. 2   Průkaz energetické náročnosti a grafické výstupy programu Energie 2008

Hodnocená budova může být v programu Energie rozdělena až na 99 zón, přičemž pro každou ze zón je možné zadat až tři různé zdroje energie pro vytápění, pro chlazení i pro přípravu teplé vody (obecný kotel či výměník, tepelné čerpadlo, kogenerační jednotka atd.).

V energetické bilanci lze zohlednit účinnosti zdrojů tepla, účinnosti distribuce a emise tepla, vliv vnitřních zisků (od osob, spotřebičů a osvětlení), vliv pasivních solárních zisků (přes okna, zimní zahrady, Trombeho stěny, solární ventilační stěny a průsvitné tepelné izolace) a vliv aktivních solárních zisků (solární kolektory a fotovoltaické články). Přerušované vytápění či chlazení lze započítat také, stejně jako různé strategie větrání (přirozené, nucené, nucené se zpětným získáváním tepla).

Samotné stavební řešení budovy se ve výpočtu projeví jednak prostřednictvím dílčích plošných konstrukcí (ve styku s venkovním vzduchem, se zeminou a s nevytápěnými prostory) a jednak prostřednictvím tepelných vazeb mezi nimi. Ve všech případech je možné postupovat ve dvou úrovních přesnosti: buď přibližně nebo přesněji. V případě tepelných vazeb to například znamená, že lze buď zadat orientační přirážku na vliv tepelných vazeb k součiniteli prostupu tepla všech konstrukcí, nebo zadat pro každou tepelnou vazbu její parametry, tj. délku a lineární činitel prostupu tepla. Stejně tak u konstrukcí ve styku se zeminou a ve styku s nevytápěnými prostory lze provést buď detailní výpočet podle evropských norem (EN 13370 a EN 13789), nebo přibližný výpočet s použitím činitelů teplotní redukce.

Výsledkem výpočtu je jednak podrobný protokol o výpočtu a jednak požadované dokumenty podle vyhlášky 148/2007 Sb. a ČSN 730540: tedy protokol o energetické náročnosti budov a energetický štítek obálky budovy. Oba dokumenty se otevírají jako šablona v textovém editoru Microsoft Word.

Literatura

[1] Urban, Kabele, Adamovský, Kabrhel, Musil: Popis metodiky výpočtu vyhodnocení energetické náročnosti budov podle vyhlášky 148/2007 Sb., FSv ČVUT Praha 2007

[2] Urban, Kabele, Adamovský, Kabrhel, Musil: Národní kalkulační nástroj, FSv ČVUT Praha 2007-2008, http://tzb.fsv.cvut.cz/projects/nkn/.

[3] Protech s.r.o.: Software ENB, Nový Bor 2008, www.protech.cz.

[4] Svoboda, Z. : Software Energie 2008, Kladno 2008, www.kcad.cz.