Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov podle vyhlášky 148/2007 Sb. (I)

1. Úvod

Pro správnou aplikaci vyhlášky 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov, resp. způsobu provedení hodnocení energetické náročnosti budovy, dále jen "ENB", podle postupu uvedeného v předchozím článku, je prakticky nutný a nezbytný prostředek v podobě výpočetního nástroje pro výpočet ENB. Jak je z vyhlášky a výpočetního postupu patrné, výpočet ENB pomocí kalkulátoru, tužky a bloku je značně obtížné a v mnoha případech prakticky vyloučené. Z tohoto důvodu je nezbytný výpočetní nástroj, který na základě jednotného výpočetního postupu (viz předchozí článek) provádí výpočet dodané energie do budovy sloužící jako hodnotící měřítko pro posouzení ENB a zařazení budovy do třídy energetické náročnosti - EN.

2. Algoritmus výpočtu ENB

Z důvodu rozsáhlosti výpočetního postupu uvedeného v příloze předchozího článku a provázanosti jeho částí je nezbytné pro jednoduchou transparentnost a aplikovatelnost tohoto výpočetního postupu vytvořit výpočetní algoritmus. Algoritmus je sestaven tak, že problematiku výpočtu ENB řeší v obecné rovině bez zřetele na speciálních vlastnostech programovacích jazyků. Algoritmus výpočtu ENB pak reprezentuje obecně použitelné výpočetní jádro, z kterého přímo vychází vlastní výpočetní nástroj sloužící ke stanovení ENB. Takto vyjádřený postup výpočtu ENB je nezbytné připravit z důvodu dalšího vývoje stanovení ENB pomocí různých, komerčních, nebo volně šiřitelných výpočetních nástrojů, které by měly mít v sobě obsažený identické výpočetní jádro. Odlišnosti jednotlivých výpočetních programů jsou už dále dány pouze specifiky programovacího jazyka, uživatelského rozhraní, provázanosti s dalšími výpočetními aplikacemi, apod. Vytvoření funkčního algoritmu, jeho aplikace a vytvoření výpočetního nástroje představuje následující kroky:

• vytvoření obecného výpočetního postupu pro stanovení ENB,
  (Výpočetní metodika byla v rámci přípravných prací a vývojových prací upravována do logicky správné podoby, proto tento bod obsahuje zpětné vazby na další uvedené kroky, z nichž se k tomuto kroku zpětně vracelo.)
• praktická aplikace výpočetního postupu formou funkčního algoritmu (MS Excel - výpočetní nástroj NKN);
  • revize výpočetního algoritmu,
  • přehled nezbytných vstupních údajů potřebných pro výpočet,
  • testování a validace funkčního algoritmu a databázových vstupů,
• finalizace funkčního algoritmu v prostředí MS Excel - volně šiřitelný výpočetní nástroj NKN pro hodnocení ENB;
• využití výpočetního postupu, jeho implementace do již existujících pomůcek, nebo výpočtových programů pro projektanty, auditory apod.
• na základě jednotného výpočtového postupu, výpočetního jádra, prostor pro vývoj komerčních aplikací.

3. Základní schéma výpočetního algoritmu

Základní schéma postupu výpočtu ENB ukazuje posloupnost kroků výpočetního postupu a provázanost celého kompaktního výpočetního postupu. Výpočetní postup nepředstavuje pouze jednu možnou cestu ve směru postupu výpočtu, ale v závislosti na unikátnosti řešení budovy výpočetní postup flexibilně postihuje základní možnosti ve vztahu k systémovému řešení budovy (multizónový a multisystémový požadavek na řešení budovy). Výpočetní struktura je vytvořena pomocí zjednodušeného vývojového diagramu, který demonstruje posloupnost jednotlivých kroků ve výpočtu, které jsou společné a vycházejí z národní metodiky výpočtu ENB. Zjednodušený vývojový diagram vychází z primárních údajů (databázových vstupů), které platí pro celou budovu a zónu budovy, ukazuje směr a postup výpočtu. Základní schéma ukazuje základní cykly (opakování operací) ve výpočtu, tzn. počet jednotlivých opakování ve výpočetním algoritmu, která jsou dána na základě:

• multizónovosti budovy, každá budova může mít několik zón, kdy pro kterou je třeba provést samostatný výpočet
• variability energetických systémů, které mohou vzájemně zásobovat libovolnou skladbu zón
• periodicity opakování cyklu (části výpočtu) v závislosti na časovém kroku, v kterém je výpočet prováděn (v posloupnosti: hodina - den - měsíc)

V souvislosti s těmito údaji přímo vyplývá také počet možných kombinací pro jednotlivé části výpočtu.

Obr. 1) Základní schéma výpočetního algoritmu (po kliknutí se obrázek zvětší)

4. Funkční algoritmus výpočtu ENB - výpočetní nástroj NKN

Na základě národní metodiky výpočtu ENB a základního schématu výpočetního algoritmu byl sestaven podrobný funkční algoritmus pro praktické ověření metodiky stanovení ENB pomocí výpočtového nástroje. Funkční algoritmus plně zohledňuje požadavky na výpočet dané směrnicí 2002/91/EC, národními právními a technickými normami. Zároveň algoritmus představuje matematicky a logicky správnou formulaci těchto požadavků a výpočtových principů. Výpočetní nástroj slouží jako demonstrace funkčnosti popsané filosofie výpočtu, základ pro ustálení výpočetního jádra a pomůcka pro užívání odbornou veřejností, především však energetickými auditory a osobami oprávněnými zpracovávat průkaz ENB. Základní výchozí podmínka pro tento funkční výpočetní algoritmus byla možnost snadno ověřit aplikovaný postup výpočtu ENB. V prvotní fázi ověřit požadavek, aby byl funkční algoritmus srozumitelný užší odborné veřejnosti z důvodu připomínek korekcí výpočetního postupu a pro případnou potřebu jeho snadné analýzy. Proto je funkční algoritmus proveden v prostředí tabulkového procesoru MS Excel sady MS Office. Výpočetní nástroj ověřuje funkčnost výpočetního postupu a provádí hodnocení ENB podle národní metodiky a je vytvořen jako pilotní pomůcka pro výpočet energetické náročnosti budov ve smyslu zpracování Průkazu energetické náročnosti budov ve formě protokolu průkazu ENB a grafického znázornění průkazu ENB. Ověřuje správnou interakci mezi navrhovanými výpočtovými kroky, které v této kombinaci dosud nebyly použity, dále ověřuje podmínkové vazby mezi jednotlivými kroky ve výpočtu.

Obr. 2) Základní princip výpočetního nástroje NKN pro hodnocení ENB

5. Vývoj výpočetního nástroje NKN

Vývoj výpočetního nástroje NKN byl proveden na katedře technických zařízení budov, fakulty stavební ČVUT v Praze na základě podpory prostřednictvím grantu České energetické agentury (ČEA) pod ev.č. 2220046120. Vývoj nástroje byl podpořen z důvodu nezbytné potřeby pomůcky pro výpočet energetické náročnosti budovy v souladu se zákonem 406/2006 Sb. v pozdějším znění a prováděcími předpisy z něj vycházejících. Výpočetní nástroj byl vytvořen jako pomůcka pro výpočet energetické náročnosti budov ve smyslu zpracování průkazu ENB ve formě protokolu a jeho grafického znázornění. Výpočetní nástroj je řešen jako otevřený s možností zobrazení všech vazeb a vztahů zdrojového kódu.

Postup a metodika výpočtu z počátku vyplývala z návrhu prováděcího předpisu k § 6a zákona 406/2000 Sb., o hospodaření energií vypracovaného pro Ministerstvo průmyslu a obchodu firmou Enviros s.r.o. pod referenčním číslem ECZ6063. Nad rámec návrhu prováděcího předpisu, současné vyhlášky 148/2007 Sb., výpočetní nástroj NKN obsahuje některé další údaje a data, která jsou nutná pro zpracování výpočtu. Jedná se především o předdefinované uživatelské profily pro jednotlivé typy provozů a klimatická data používaná pro výpočet. Oba tyto datové soubory jsou podrobně popsány v druhé části tohoto článku a bylo doporučeno v rámci dalšího postupu zpracování prováděcího předpisu k § 6a zákona 406/2000 Sb., o hospodaření energií je do předpisu začlenit, neboť výrazně ovlivňují výsledek výpočtu. Dále jsou ve výpočetním nástroji v části umělého a denního osvětlení zohledněny informace poskytnuté STÚ-E, zpracované v rámci produktu "Postup podle EN pro EA a EP pro budovy v části umělé a denní osvětlení." Výpočetní nástroj NKN byl zpracováván souběžně s návrhem prováděcího předpisu k § 6a zákona 406/2000 Sb., o hospodaření energií (zpracovatel Enviros s.r.o) v období květen až listopad 2006.

Funkční výpočetní algoritmus představuje výpočetní nástroj v prostředí MS Excel s využitím programovatelných funkcí pro ošetření některých okrajových vlastností výpočtu. Výpočetní nástroj vzhledem k legislativnímu vývoji vyhlášky 148/2007 Sb. a způsobu výsledného hodnocení ENB dosahoval v průběhu změn, které kopírovaly legislativní změny. V prvotní fázi podle návrhu novely vyhlášky výpočetní nástroj obsahoval původně 3 vzájemně propojené sešity. Které respektovaly původní záměr hodnocenou budovu porovnávat se dvěma budovami referenčními (budovou referenční s požadovanými hodnotami a budovou referenční s hodnotami stávající úrovně), viz Obr. 3). Referenční budova představovala výpočtově vytvořenou budova téhož druhu, stejného tvaru, velikosti a vnitřního uspořádání a se stejným typem provozu a užívání jako hodnocená budova. Hodnocení pak bylo prakticky uskutečněno pomocí tří vzájemně propojených sešitů. První sešit zajišťoval zadání, výpočet a výstupy pro řešenou budovu, druhý a třetí sešit obsahoval pouze automatický výpočet pro referenční budovu stávající energetické úrovně a budovu referenční s požadovanými hodnotami. Uživatel v tomto případě pracoval pouze s jedním excelovským sešitem a ostatní dva pracovaly v pozadí. Výpočet probíhal simultánně při zadávání hodnot a to současně pro všechny tři modelované případy. Tento postup byl uplatněn ve verzích NKN v. 1.xx.

Obr. 3) Původní návrh hodnocení ENB budovy pomocí referenčních budov použitý v NKN v.1.xx

NKN v. 1.xx byl označen jako pilotní výpočetní nástroj, který má sloužit odborné veřejnosti k detailnímu seznámení se s metodikou výpočtu bilančního výpočtu ENB. Distribuce výpočetního nástroje byla realizována prostřednictvím k tomu určených webových stránek, kde je po nezbytné registraci NKN volně ke stažení spolu s doprovodnými texty. Volně přístupné několikrát aktualizované verze - z důvodu změny metodiky a návrhu vyhlášky, nebo odstranění chyb - demonstrovaly praktickou aplikaci národní metodiky výpočtu ENB. Tato verze výpočetního nástroje sloužila zejména užšímu okruhu odborné veřejnosti pro detailní seznámení s filosofií a podstatou národní metodiky výpočtu ENB. Zároveň tento přístup předpokládal možnost aktivního přispění k vývoji finální verze nástroje a to věcnými připomínkami. Uživatel je k verzi nástroje NKN v. 1.xx upozorněn na níže uvedené skutečnosti:

• jedná o předběžnou verzi výpočetního nástroje, která detailně ukazuje princip výpočtu;
• nejedná se o konečnou verzi NKN, podle které bude prováděna certifikace a vystavení průkazu ENB;
• vypoceni nastroj je ve fázi testovaní, verze NKN 1.xx přístupná na webových stránkách projektu již nemusí být aktuální ve vztahu k aktuální podobě vyhlášky 148/2007 Sb.,
• zveřejňované informace jsou předběžné a neměly by sloužit k vystavovaní předčasných průkazů ENB pro investory, uvedené informace mají za cil ukázat detailní princip, podstatu a obsah hodnoceni ENB.

Tyto informace je nezbytně nutné uvádět spolu s distribucí výpočetního nástroje, jelikož přímo vyplývaly z procesu vývoje nástroje závisejícího na výsledné podobě vyhlášky 148/2007 Sb., která zejména v poslední fázi proběhla dynamickými změnami a vývojem, vzhledem k její podobě v době, kdy byly započaty práce na vytváření výpočetního nástroje. Jako první pilotní verze nástroje byl na veřejnost uveden výpočetní nástroj NKN v. 1.01, který byl zpracován podle neověřené a neotestované metodiky výpočtu. Národní metodika výpočtu ENB následně, také díky vývoji a testování NKN, doznala dalších podstatných změn v souvislosti s výpočetním postupem (pozn. zejména v oblasti výpočtu potřeby energie na chlazení a větrání). Prostřednictvím vytváření funkčního algoritmu bylo nutné metodiku upravovat do podoby aplikovatelné a díky komplexního podrobného testování výpočetního nástroje NKN v. 2.01 a NKN v.2.02 také metodiky se správným výpočetním postupem.

Na základě upraveného konečného znění vyhlášky 148/2007 Sb., kde je upraven způsob vyhodnocení výpočtu ENB a měněno zařazení budovy do třídy ENB je výpočetní nástroj NKN v současné době upravován. V této podobě je také prováděna validace funkčního algoritmu a byly provedeny opravy v metodice výpočtu ENB na základě komplexního testování. Výsledkem je NKN v. 2.03, který lze považovat za finální produkt a nástroj, který slouží ke stanovení energetické náročnosti budovy a je v souladu se zmíněnými právními a technickými normami. NKN v. 2.03 bude již možné v praxi použít pro praktické příklady aplikace ENB. Základní historii a vývoj jednotlivých dostupných verzí NKN a časový průběh vývoje výpočetního nástroje NKN uvádí Tab. 1) včetně stručné charakteristiky vývoje výpočetního nástroje. Dílčí verze NKN byly pouze verze pracovní pro potřeby vývoje a úpravy výpočetního jádra NKN.

Tab. 1) Dostupné verze výpočetního nástroje NKN

6. Testování a validace výpočetního algoritmu, výpočetního nástroje

Validace výpočetního postupu, metody a relevantnosti získaných výsledků představuje neméně důležitou část, stejně jako vlastní vývoj funkčního algoritmu. Validace výpočetní metody je v tomto případě zastoupena validací výpočetního nástroje obsahující funkční algoritmus, který je souhrnem ověřených a všeobecně používaných výpočetních metod a postupů, které mohou také nemít v současné době oporu v technické normě (např. výpočet potřeby energie na chlazení). Metodu výpočtu tedy je nutné validovat jako celek. Vzhledem ke složitosti tohoto procesu není účelné validovat běžně používané dílčí výpočetní metody. Validaci podléhá již funkční algoritmus, který bude tvořit jednotné výpočetní jádro použitelné pro samostatné výpočetní aplikace, nebo jako nadstavbová část pro různé jiné aplikace. Jak bylo uvedeno výpočetní postup se sestává s kroků výpočetního postupu a dílčích okrajových podmínek, které do současné doby nebyly aplikovány. Z tohoto důvodu je třeba provést validaci výpočetního postupu metody hodnocení ENB z pohledu relevantnosti externích vstupů. Vstupů jak přímo zadávaných tak vstupů externích databázových. Validace funkčního algoritmu v MS Excel je nyní prováděna pomocí několika způsobů a používaných metod, které vedou k ověření správnosti výsledků a výsledky budou uveřejněny po jejich provedení v souvislosti s uvedením konečné verze výpočetního nástroje NKN v. 2.03 v průběhu září 2007. Validace výpočetního nástroje je nezbytná a nutná. Validací bude ověřen nejen výpočetní postup, ale také databázové vstupní údaje, nezbytné a potřebné pro výpočet.

7. Závěr

V současné době vzhledem k charakteru náročnosti popsaných prací a skutečnostmi souvisejícími s legislativními změnami uvedené vyhlášky v průběhu její přípravy, bude finální verze výpočetního nástroje NKN v. 2.03 uveřejněna v průběhu září 2009. Výpočetní nástroj NKN v. 2.03 bude plně respektovat konečnou podobu vyhlášky, bude obsahovat validované výpočetní jádro a zároveň validované databázové vstupy. Výpočetní nástroj NKN v.2.03 pro stanovení ENB podle požadavků vyhlášky 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov, představuje prostředek, kterým lze správně a jednoduše provést hodnocení ENB podle požadavků legislativních předpisů a zároveň představuje výpočetní nástroj pomocí kterého lze jednoduše provést detailní přehled roční potřeby a spotřeby energie. Jak je z uvedených informací patrné vývoj výpočetního nástroje je značně komplikovaný a představuje velké množství kroků a etap, které je nutné provést před finalizací hotového výpočetního nástroje. Velmi podrobně bude o výpočetním nástroji NKN, jeho vývoji a historii informovat příští článek. Článek bude prakticky zaměřen s cílem na detailní popis výpočetního nástroje NKN, jeho filosofie a praktické použití.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003 na základě výsledků projektu CEA 2220046120.

Literatura

[1] směrnice 2002/91/ES, o energetické náročnosti budov (EPBD)
[2] zákon č. 406/2006 Sb., který obsahuje úplné znění zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, jak vyplývá ze změn provedených zákonem č. 359/2003 Sb., zákonem č.694/2004 Sb., zákonem č. 180/2005 Sb. a zákonem č. 177/2006 Sb.,
[3] vyhláška č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov
[4] ČSN EN ISO 13790 - Tepelné chování budov- Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění
[5] ČSN EN 12831 - Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu
[6] ČSN 73 0540-3 - Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování
[7] EN ISO 13370 - Tepelné chování budov - Přenos tepla zeminou - Výpočtové metody
[8] ČSN EN 14438 - Sklo ve stavebnictví - Stanovení hodnoty energetické bilance
[9] ČSN 060320 Ohřívání užitkové vody - Navrhování a projektování
[10] ČSN EN 832-Tepelné chování budov - Výpočet potřeby tepla na vytápění - Obytné budovy
[11] ČSN 730540 (2002) - Tepelná ochrana budov
[12] DIN V 18599: Neue Vornorm zur energetischen Bewertung von Gebäuden gemäß neuer EU-Richtlinie
[13] Projekt CEA 2220046120, Národní metodika výpočtu energetické náročnosti budov - výpočetní nástroj
[14] Kabele, K., Urban, M., Adamovský, D., Musil, R., Kabrhel M.: Metodika výpočtu energetické náročnosti budov v ČR, Zborník prednášok z 15. medzinárodnej konferencie Vykurovanie 2007. Bratislava: Slovenská spoločnost pro techniku prostredia, 2007, s. 55-58. ISBN 978-80-89216-13-0.
[15] Urban, M., Kabele, K., Adamovský, D., Musil, R., Kabrhel M.: Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov v ČR, zborník prednášok Tepelná ochrana budov 2007. Bratislava: Intenzíva s.r.o., 2007, s. 105-110. ISBN 978-80-969243-5-6.