Navrhování energeticky úsporných budov v širších souvislostech

V každé souhrnné zprávě o stavebním průmyslu a budovách nalezneme konstatování mimořádně velkého vlivu budov na spotřebu energie a na životní prostředí vůbec [1]. Např. OECD [2] považuje v tomto smyslu za klíčové tři oblasti - energetickou náročnost provozování budov (především s ohledem na produkci CO₂), kvalitu vnitřního prostředí v budovách a zacházení se stavebním a demoličním odpadem. Provoz budov je ve vyspělých zemích zodpovědný za více než 40 % potřeby energie a tomu odpovídající množství emisí CO₂. Politické souvislosti jsou zřejmé - vzrůstající nárůst dovozů energie v EU, převážně z dlouhodobě nestabilních oblastí, mezinárodní snahy o omezení emisí skleníkových plynů, kvalita životního prostředí na regionální i lokální úrovni [3], [4], [5].

Specifickým problémem výstavby většiny budov je jejich velmi dlouhá životnost ve srovnání s výrobky jiných odvětví průmyslu. Z toho například vyplývá, že jakákoliv systémová "změna kurzu" se projeví ve větší míře až za velmi dlouhou dobu. Lze například odhadnout, že nově stavěné budovy nebudou ani za dvacet let tvořit více než 15 % fondu budov [6]. O to více je tedy nutné myslet systémově dopředu a současně střízlivě posuzovat pozitivní výsledky našich snah.

Potenciál úspor energie a snižování environmentálního zatížení v souvislosti s budovami jsou lákavé především pro jejich značný rozsah, nezpochybnitelnou dlouhodobost na rozdíl od jiných oblastí výroby a služeb, skutečnou využitelnost jejich podstatné části již dnes známými a ověřenými technologiemi, i ekonomickou atraktivnost při využívání alespoň části tohoto potenciálu, a to i při dnešních cenách energie. K tomuto pohledu se jako významný argument obvykle přiřazuje i výhoda tvorby nových pracovních míst v souvislosti s výstavbou nových budov a zejména při energetické obnově budov. Značným problémem je obecná nechuť k inovacím, související.

1. s konzervativností investorů, včetně malých individuálních (bydlení patří k tradičním základním potřebám lidstva, kde se zdůrazňují tradiční hodnoty více než v jiných oblastech života, navíc se jedná o jednorázová rozhodnutí na velkou část života),
2. s převahou velmi malých stavebních firem a individuálních projekčních kanceláří, s omezenou možností dalšího vzdělávání a rychlých změn zvyklostí.

I když výstavba nízkoenergetických domů ve větších množstvích nutně směřuje k určitému opakování několika principů, nelze nalézt jediné řešení, které by bylo univerzálně a bez ohledu na místní podmínky možné prohlásit za nejlepší, a tudíž jediné hodné opakování. Názory na řešení nízkoenergetických budov se v průběhu let vyvíjely a ani dnes nejsou úplně jednotné. Je možné hledat obdobu v evolučních přírodních dějích - některé slibné druhy se neuplatnily, jiné převládly v různých modifikacích.

V počátcích nízkoenergetické výstavby (např. [7], [8]) se objevily dva jasné koncepty - jednak maximalizace solárních zisků ("solární domy"), jednak s důrazem na minimalizaci tepelných ztrát ("energeticky úsporné domy"). Od sedmdesátých let dvacátého století se stavěly ojedinělé experimentální objekty, větší rozvoj nastal až na počátku let devadesátých. Jedním z podstatných impulzů bylo zpracování definice a praktické ověření pasivního domu ve Švédsku a SRN [8]. Hlavní proud výstavby byl ovlivňován postupným a většinou jen mírným zpřísňováním stavebně-energetických požadavků na budovy - odlišně v jednotlivých zemích. Situace ve výstavbě nízkoenergetických a pasivních domů se v současné době dramaticky mění, zejména v německy mluvících zemích. Kombinace veřejných podpor individuální výstavby, vstřícného přístupu bank, přesvědčivých výsledků dosahovaných v praxi i kvalifikovaných informačních a vzdělávacích aktivit vedly k výraznému nárůstu výstavby pasivních domů.

Obavy o to, že ve snaze o dosažení cílů v oblasti energie utrpí estetická kvalita budov, se ve velké většině realizací nenaplnily. Stále přibývá důkazů, že šťastné spojení funkce, estetiky, kvalitního vnitřního prostředí i malého zatížení prostředí vnějšího je možné.

Významný impuls znamená i snaha o integraci prvků využívajícími obnovitelné zdroje energie v budovách, zčásti přímo v jejich obvodových konstrukcích (solární systémy termické a fotovoltaické).

Udržitelná výstavba budov

Čím níže se budeme dostávat v deklarované potřebě tepla na vytápění, tím více se budeme muset zabývat ostatními energetickými potřebami provozu budov a dále uvažovat v obecnějších souvislostech [9]. Ke konci devadesátých let dvacátého století se z terminologie udržitelného rozvoje společnosti začínají odvozovat požadavky na výstavbu a objevují se dosud neznámé pojmy udržitelné výstavby (sustainable construction, sustainable building).

Pojem udržitelnosti (sustainability) je odvozen od požadavků zajištění udržitelného rozvoje Země, jak to uvádí např. dokument OSN Agenda 21 [10]. Z tohoto dokumentu pak vychází [1] s obecně formulovanými úkoly pro stavebnictví.

Cesty snižování environmentálního zatížení v souvislosti s budovami jsou velmi různorodé. Společným znakem by měl být soulad s obecně formulovanými požadavky udržitelnosti, kam lze kromě kvalitního vnitřního prostředí a nízké produkce škodlivin všeho druhu a energetických souvislostí zařadit i otázky sociální a ekonomické.

Pro technické řešení budovy z toho můžeme vyvodit snadno srozumitelný dílčí závěr [11], že je vhodné navrhovat taková řešení budov, aby bylo požadavku nízké energetické náročnosti dosahováno efektivně, tedy zejména s nízkou investiční náročností a s malou zátěží pro životní prostředí, po celý životní cyklus budovy. Výsledné energetické vlastnosti budovy lze zpravidla nejlépe ovlivnit při vytváření celkové koncepce v přípravné fázi projektu, zejména dobrou koordinací s koncepcí nosné funkce, vytápění a osvětlení budovy. Taková koncepce by měla být charakterizována mj. vyvážeností objemového a konstrukčně technologického řešení všech prostorů a konstrukcí, při nejnižší energetické náročnosti budovy.

Požadavky

V průběhu let se postupně zpřísňují požadavky na energetickou náročnost provozu budov. Změny ve způsobech hodnocení, v preciznosti dokládání jejich splnění spolu s vyjadřováním dalších veličin, především celkové energetické náročnosti provozu budov, postupně přinese zavádění Směrnice EU O energetické náročnosti budov (EPBD) [3] od roku 2006. Kritici namítají, že se Směrnice nesprávně vyhýbá malé výstavbě, především rodinným domům. Směrnice požaduje, aby se hodnotila i potřeba energie na větrání, chlazení, umělé osvětlení a technologická zařízení. Výsledky se budou vyjadřovat na více úrovních - ve formě potřebné energie na vstupu do budovy (odlišně podle použitého energetického média), dále ve formě primární energie, popřípadě i ve formě ekvivalentních emisí skleníkových plynů. Výsledky se budou uvádět jak ve fyzikálních jednotkách, tak v názorné formě na relativní stupnici s písmeny, obdobně jako je to již dnes běžné u elektrických spotřebičů a svítidel.

Zjednodušená porovnání současných požadavků potřeby tepla na vytápění s vymezením oblasti nízkoenergetických domů přinášejí obr. 1 a obr. 2.

Obr. 1. Zjednodušené porovnání potřeby tepla na vytápění a vymezení oblasti
nízkoenergetických domů [12]

Obr. 2. Měrná potřeba tepla na vytápění podle Vyhl. 291/2001 Sb. [13] v závislosti na
faktoru tvaru A/V (lomená čára) a pro nízkoenergetické domy (vyznačená plocha)

Základní členění nízkoenergetických domů

V otázce názvů nepanuje mezi odborníky úplná shoda, ale většinou to nepovažují za zásadní problém. Navíc se v souvislosti se změnami požadavků na běžnou výstavbu některá kritéria budou postupně měnit. Pro naše účely postačí, budeme-li se držet stupnice podle tab. 1.

Tab. 1 - Základní rozdělení budov podle potřeby tepla na vytápění

Budovy s velmi nízkou energetickou náročností mají měrnou potřebu tepla na vytápění výrazně nižší, než je odpovídající závazný požadavek aktuálních stavebněenergetických předpisů. Myšleno je tím množství tepla za rok (per annum, proto a v označení fyzikálního rozměru), stanovené výpočtem a vztažené na 1 m² plochy vytápěné části budovy.

ČSN 73 0540:2 [11] budovy s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 50 kWh/(m²a), pokud využívají velmi účinnou otopnou soustavu. Toto kritérium se používá bez ohledu na tvar budovy. Při výhodném kompaktním tvaru bude snadněji splnitelné než při tvaru velmi členitém. Podle stavu techniky je možné očekávat další snížení uvedené hodnoty.

Pasivní domy jsou budovy s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 15 kWh/(m²a). Tento parametr ovšem není jediným požadavkem [14], jak se to někdy nesprávně interpretuje. Velmi přísný požadavek je kladen dále na celkovou průvzdušnost budovy (hodnota n₅₀ 0,6 h^-1). Současně nesmí u těchto budov celkové množství primární energie spojené s provozem budovy (vytápění, ohřev teplé vody a elektrická energie pro spotřebiče a osvětlení) překračovat hodnotu 120 kWh/(m²a).

V praxi se objevuje značné množství budov, které se svým pojetím a použitými technickými prostředky pasivnímu domu do značné míry blíží, i když některého z jeho parametrů z nějakého důvodu nedosáhly. K jejich označení se dá použít výrazu "téměř pasivní domy" nebo "domy s velmi nízkou potřebou tepla". Konkrétní číselné vyjádření pro tuto skupinu není jednotně užíváno, takovou hranicí by mohlo být 30, nebo v lepším případě 20 kWh/(m²a). V mnoha případech se může jednat o budovy, které co nejlépe odpovídají zásadám výše zmíněné udržitelné výstavby budov - tedy nalezení co nejpřiměřenějšího řešení v konkrétních podmínkách (klimatických, geografických, investičních a dalších).

Dále se hovoří o "nulovém domě", domě s "nulovou potřebou energie". Tím se myslí budovy, které mají potřebu tepla blízkou nule (menší než 5 kWh/(m²a)). Takového řešení je možné dosáhnout jen při mimořádně vhodných podmínkách, a proto se takové domy (zatím?) objevují na rozdíl od pasivních domů velmi zřídka. Je možné navrhovat i domy, které vyprodukují více energie, než samy spotřebují. Bývají označovány různě, jako "Energie-plus", jako "domy s energetickým přebytkem" apod. Zpravidla se jedná o pasivní domy, kde je navíc použito velkoplošné integrace fotovoltaických systémů pro výrobu elektrické energie. Dům dodává elektřinu do rozvodné sítě. To může být v ročním součtu větší množství energie, než dům sám pro svůj provoz potřebuje.

Výpočtové postupy i dílčí požadavky se od sebe často na národní úrovni odlišují. Informace ze zahraničních publikací je třeba přebírat velmi opatrně. V zahraničí se užívají i kategorie MINERGIE^® (pro nízkoenergetický standard ve Švýcarsku) a MINERGIE-P^® (pro paralelu k pasivnímu domu) [15]. Populární vyjádření 5-liter-Haus, 3-liter-Haus atd. užívané v Německu, připomíná přibližnou spotřebu topného oleje na 1 m² podlahové plochy (3-liter-Haus přibližně odpovídá 30 kWh/(m²a) ve středoevropském klimatu).

Mimo tyto kategorie stojí ještě "energeticky nezávislý dům", který je řešen tak, že potřebnou energii pro svůj provoz vyprodukuje sám, bez dodávek energie zvenku. Je pochopitelné, že i zde bude především redukována potřeba tepla. Takový dům má smysl například v extrémní horské poloze, kde nejsou k dispozici obvyklé energetické sítě.

V základním rozdělení podle tab. 1 se posuzuje pouze potřeba tepla na vytápění. Neprojeví se zde další významné součásti energetické bilance budovy (ohřev teplé vody, chlazení, elektrické spotřebiče) ani druh a účinnost energetických systémů a využití obnovitelných energetických zdrojů.

Pasivní domy

Pasivní dům můžeme považovat za specifickou a dobře popsanou podskupinu mezi nízkoenergetickými domy. Termín pasivní dům je pevně spojen s výpočetním modelem a jeho předpoklady. Metody výpočtového hodnocení i certifikace pasivních domů zpracoval a stále upřesňuje v souladu s přibývajícími praktickými zkušenostmi Passivhaus Institut v Darmstadtu [16]. Základní parametry pasivního domu pro středoevropské podmínky uvádí tab. 2.

Tab. 2 - Základní vlastnosti pasivního domu a schéma certifikace [16]

Mimořádně nízkou energetickou potřebu budovy lze krýt bez použití obvyklé otopné soustavy, pouze se systémem nuceného větrání, který obsahuje účinné zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu a malé zařízení pro dohřev vzduchu v období velmi nízkých venkovních teplot. Aby to bylo možné, obvykle se uvádí jako doplňkový požadavek limit výpočtové tepelné ztráty (správněji: měrného tepelného příkonu) ve výši 10 W/m². Pozor: Výpočet se provádí podle [16] odlišně od postupu uvedeného v [17] a dokonce i od postupu podle [18], obecně řečeno za mírnějších klimatických okrajových podmínek. Tato skutečnost je někdy zdrojem nedorozumění i sporů.

Jednoznačně se dává přednost co největšímu omezení tepelných ztrát před velkými zisky. Dále podle [11] musí být zajištěno dosažení návrhových teplot vnitřního vzduchu po provozní přestávce v přiměřené (a v projektové dokumentaci uvedené) době.

Koncepce a energetické vlastnosti budov

Výsledné energetické vlastnosti budovy ovlivní - v odlišné míře podle povahy konkrétního projektu - zejména:

• volba pozemku a osazení budovy na něm,
• orientace budovy ke světovým stranám s ohledem na dopad přímého slunečního záření během roku, současné i v budoucnu předpokládané zastínění budovy okolní zástavbou, terénem a zelení,
• převládající směr a intenzita větru,
• velikost budovy - přiměřenost danému účelu,
• tvarové řešení (celková kompaktnost tvaru i členitost vnějších povrchů),
• vnitřní uspořádání s ohledem na soulad vytápěcích režimů a orientaci prostorů ke světovým stranám,
• vlastnosti obvodových konstrukcí,
• velikost prosklených ploch na jednotlivých fasádách,
• řešení potřebné výměny vzduchu,
• vnitřní tepelné zisky podle charakteru provozu v budově,
• otopná soustava - vhodná volba, přiměřená velikost, kvalitní regulace atd.,
• způsob, jakým je zajištěna pohoda prostředí v teplé části roku,
• efektivnost ohřevu teplé vody a energetická účinnost elektrických spotřebičů,
• skutečně dosažené energetické vlastnosti budovy po realizaci,
• skutečný způsob užívání budovy.

Z uvedeného výčtu je zřejmé, že problém nelze omezit na stanovení výrazně větší tloušťky tepelné izolace v obvodových konstrukcích. Vrátíme-li se k jednotlivým výše uvedeným bodům podrobněji, můžeme konstatovat, že významné jsou všechny, ale že ne vždy všechny z nich můžeme výrazněji ovlivnit. I tak bychom se jimi měli zabývat. Investor by měl být vždy dobře a včas informován o souvislostech a důsledcích svých rozhodnutí, i když má odlišné priority nebo (nám dosud neznámá) omezení.

Velikost a tvar budovy budou vždy předmětem zásadních diskusí investora a projektanta. Tvarová kompaktnost pochopitelně ve značné míře přispívá ke snižování potřeby tepla na vytápění. Určitě není možné nějak absolutně optimalizovat tvar budovy vůči tomuto jedinému parametru. Stojí ale za to několik vhodných tvarových a velikostních variant použitelných pro daný účel budovy z tohoto hlediska prověřit. Výhodnější je menší faktor tvaru A/V [m^-1]. Větší a kompaktní budovy jsou na tom podle očekávání relativně lépe. Obdobně je vhodné přemýšlet o energetických důsledcích nejrůznějších výstupků a členitostí fasád.

Použití zasklených atrií, zimních zahrad i speciálních prvků pro využití solární energie (prosklené větrané fasádní prvky, dvojité prosklené fasády apod.) je sice možné, ale až po pečlivém prověření jejich vlastností ve prospěch budovy v průběhu celého roku. Očekávání energetického přínosu bývají někdy přehnaně vysoká, nejsou vyloučeny komplikace s přehříváním prostorů. Zimní zahrada by měla být od vytápěného prostoru dokonale tepelně oddělena. Měl by být jasně popsán její provozní režim v průběhu roku (větrání, dlouhodobé otevření spojovacích dveří).

Velké množství realizací nízkoenergetických rodinných domů je řešeno bez suterénu. Řada technických i energetických komplikací tím odpadne a stavba se zpravidla zlevní. Pokud přesto investor na zřízení suterénu trvá, přednost by měl dostat oddělený vstup mimo vytápěnou část domu (samostatný vstup zvenku, vstup z nevytápěného zádveří vně vytápěné zóny).

Text vychází z autorovy publikace Nízkoenergetické domy. Principy a příklady a je uveřejněn s laskavým souhlasem nakladatelství Grada Publishing.

Literatura

[1] AGENDA 21 ON SUSTAINABLE CONSTRUCTION. CIB Report 237. 1999, česky ke stažení na www.substance.cz.
[2] OECD - Document OECD: Policies for Environmentally Sustainable Buildings. Synthesis Report of the Sustainable Building Project.
[3] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/91/ES o energetické náročnosti budov.
[4] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2006/32/ES o energetické účinnosti u konečného uživatele a o energetických službách ...
[5] Zelená kniha o energetické účinnosti - Dělat více za méně. Evropská komise, 2005.
[6] EU European Ministers Conference on Sustainable Housing (Belgium, 27-28 June 2002).
[7] Ornetzeder, M. - Feichtinger, J.: Nachhaltiges Bauen und Wohnen. Thema des Monats 10/2004. www.nachhaltigkeit.at
[8] Humm, O.: Nízkoenergetické domy. GRADA, 1999.
[9] Hájek, P. - Tywoniak, J.: Udržitelná výstavba budov. Stavební listy, 13/2002.
[10] AGENDA 21 Organizace spojených národů
[11] ČSN 73 0540:2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Požadavky, ČSNI 2005.
[12] Tywoniak, J.: Nízkoenergetické domy. Principy a příklady, GRADA 2005, 2006
[13] Vyhláška 291/2001 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách.
[14] www.passiv.de
[15] www.minergie.ch
[16] FEIST, W. a kol. Passivhaus Projektierungs Paket 2004. Anforderungen an Qualitätsgeprüfte Passivhäuser. Fachinformation PHI-2004/1.
[17] ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění, ČSNI 1994.
[18] ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu, ČNI 2005.