Ukazatel připravenosti budovy pro chytrá řešení a virtuální průkaz energetické náročnosti budovy

Úvod

Článek se zabývá problematikou energetické náročnosti budovy v návaznosti na ukazatel připravenosti budovy pro chytrá řešení, který vychází z nové evropské směrnice o energetické náročnosti budov. V úvodu příspěvku je popsán princip vyhodnocení ukazatele. Následně je představen koncept virtuálního průkazu energetické náročnosti budovy včetně směrů jeho možného vývoje. Virtuální průkaz je následně testován na datech sbíraných v rámci nízko energetického rodinného domu.

V popředí příspěvku jsou následující otázky:

• Jak poskytnout majiteli či uživateli budovy přehlednou informaci o provozní energetické náročnosti budovy?
• Jak zajistit, aby se provozní energetická náročnost příliš neodchylovala (především směrem k vyšší spotřebě) od předpokladu stanoveného v průkazu energetické náročnosti budovy?

Příspěvek na tyto otázky odpovídá tak, že využívá již existující metodiky, které hodnotí chování budov ještě dříve, než jsou uvedeny do provozu. Tyto metodiky jsou v rámci příspěvku rozšířeny o hodnocení provozu budovy, čímž jsou též vzájemně propojeny.

Metodika průkazu energetické náročnosti budov je předpokladem, jak se má budova chovat, protože vychází ze zjednodušeného výpočtového modelu budovy. Výhodou průkazu je přehlednost a uživatelská srozumitelnost.

Druhou metodikou je nově vyvinutý ukazatel připravenosti budovy pro chytrá řešení, který vyjadřuje míru vybavenosti budov inteligentními systémy z hlediska sedmi kritérií a v rámci jednotlivých systémů TZB a potenciálu budov z hlediska jejich dovybavení.

Ukazatel připravenosti budovy pro chytrá řešení

Ukazatel připravenosti budovy pro chytrá řešení (Smart Readiness Indicator for Buildings, SRI) vychází z nové evropské směrnice o energetické náročnosti budovy (EPBD III), která podporuje zavádění inteligentních systémů v budovách. Tento ukazatel je nepovinnou součástí celkového hodnocení budov.

Vstupními údaji do výpočtu ukazatele jsou informace o typu budovy, jejím stáří, stavu, velikosti, lokalitě v rámci EU. Dále se definuje přítomnost a typy jednotlivých technických systémů v budově. Každý technický systém má ve výpočtu nadefinované služby, které v budově zastává. K nim se přiřazuje úroveň jejich funkce, a to tak, že čím vyšší číslo, tím inteligentnější daná služba je. Maximální číslo se pohybuje mezi 2 a 4 v závislosti na počtu definovaných úrovní. Číslo O pak značí nejjednodušší, standardní úroveň s malou nebo žádnou mírou inteligence.

Každá služba má svoji váhu pro jednotlivá kritéria, která se v rámci SRI hodnotí (viz obrázek 1). Tato kritéria jsou pak vážena do celkového ukazatele (Total SRI score), který je procentuálním vyjádřením úrovně vybavenosti budovy inteligentními systémy vůči dosažitelnému maximu. Na základě výpočtu se též vyhodnocují dílčí ukazatele pro jednotlivé oblasti. Jimi se rozumí technické systémy, které jsou v budově přítomny (viz obrázek 2). Oblasti i kritéria jsou také hodnocena procentuálně vůči dosažitelnému maximu.

Obr. 1 Kritéria, z nichž sestává celkový SRI (zdroj: https://smartreadinessindicator.eu)

Obr. 2 Oblasti, z nichž sestává celkový SRI (zdroj: https://smartreadinessindicator.eu)

V následujících kapitolách je popsáno, jak by například mohlo být zajištěno co nejvyšší hodnocení v kritériu energie s přesahem do kritéria informovanosti o stavu budovy směrem k uživateli.

Virtuální průkaz energetické náročnosti budovy

Průkaz energetické náročnosti budovy, jak jej chápe česká legislativa, slouží jako předpoklad, jak se bude nová budova nebo zrekonstruovaná budova chovat po energetické stránce. Nicméně vzhledem k tomu, že v současnosti se počítá s měsíčním časovým krokem, který není schopen zahrnout dynamiku v chování budovy a budova je zatížena standardizovaným provozem a klimatickými daty, neodpovídá většinou reálná spotřeba energie předpokladu stanoveného v PENB. Hodnota uváděná v PENB je určena k porovnání s referenční budovou a zatřídění budovy z hlediska hodnocení energetické náročnosti. Uživatel by ovšem ocenil skutečnou hodnotu očekávané spotřeby energie, která může být podle způsobu užívání a průběhu počasí odlišná od údaje v PENB.

Na základě výše uvedeného je vyvíjen tzv. virtuální průkaz energetické náročnosti budovy (V-PENB), který vyhodnocuje provozní energetické toky v budově a porovnává je s předpokladem stanoveným v PENB v reálném čase. Výstupem může být vyhodnocení konkrétního roku měření s volitelným začátkem. Virtuální průkaz tak odpovídá na otázku, jaká je skutečná provozní spotřeba energie. Je také schopen detekovat období, kdy byla spotřeba energie výrazně nad předpokladem. Zároveň je možné jej implementovat do ukazatele SRI, konkrétně kritérium energie a informovanosti o stavu budovy vůči uživateli.

Princip vyhodnocení V-PENB

Na obrázku č. 3 je schéma algoritmu, kterým se virtuální průkaz energetické náročnosti může vyhodnotit. Toto schéma platí jak pro primární energii z neobnovitelných zdrojů, tak pro celkovou dodanou energii i dílčí dodané energie.

Obr. 3 Postup vyhodnocení virtuálního průkazu energetické náročnosti budovy

Bodem č. 1 je výběr období dlouhého jeden rok, které se bude pro V-PENB vyhodnocovat. Může se jednat jak o ucelený rok od 1. ledna do 31. prosince, tak o jakkoli jinak zvolené období, které ovšem vždycky trvá jeden rok (například provedením příkazu „vyhodnotit uplynulý rok k dnešnímu datu“). Volitelný začátek hodnocení může sloužit i pro vyhodnocení otopného období.

V bodě č. 2 se vybírají potřebná data pro vyhodnocení. Například pro vyhodnocení spotřeby energie na přípravu teplé vody je třeba znát spotřebovanou energii na vstupu do zdroje přípravy teplé vody i energonositel, vhodná je také informace o přítomnosti a počtu osob.

V následujícím bodě, tedy bodě č. 3, se spočte předpokládaná spotřeba energie. Jedná se o informaci zjiž vypočteného průkazu energetické náročnosti.

Bod 4 pak značí zatřídění spotřeby energie do kategorie energetické náročnosti A až G.

Bod č. 5 je klíčovým bodem celého algoritmu. Zde se provádí přepočet naměřených dat tak, aby byla porovnatelná s předpokladem stanoveným v PENB. Kupříkladu u spotřeby energie na vytápění je třeba přepočítat rozdíl teploty venkovního a vnitřního vzduchu a dobu provozu otopné soustavy. Bez přepočtu nelze porovnávat například dvě otopná období při různě tuhých zimách. Zde se nabízí přepočet přes „hodino stupně“. Jiný případ může být využívání energie ze slunce, kde je nutné provést přepočet přes rozdíl v dopadajícím slunečním záření.

V bodě č. 6 se provede zatřídění přepočtené reálné spotřeby energie obdobným způsobem jako u původního PENB.

Informace o spotřebách energie a zatříděních se následně zaznamenají v grafickém výstupu V-PENB, který je rozšířením původního PENB (bod č. 7).

Bod č. 8 pak značí možnost zobrazení podrobnější analýzy spotřeb a dodávek energií.

Zpravidla se pak v bodě č. 9 jedná o grafické zhodnocení po měsících v párových sloupcových diagramech, kdy levý sloupec páru značí referenci v PENB, pravý sloupec pak vyhodnocení provozních energetických toků.

Případová studie nízkoenergetického rodinného domu

Případová studie se týká nízko energetického rodinného domu, který se nachází v Rýmařově. Jedná se o jednopodlažní montovanou dřevostavbu s nevytápěným podkrovím. Hlavním zdrojem tepla jsou krbová kamna s výměníkem tepla do teplovodní dvoutrubkové otopné soustavy. Druhým zdrojem tepla je elektrokotel. Teplo je sdíleno jednak přímou radiací z krbových kamen do interiéru a pak deskovými otopnými tělesy. Teplá voda je připravována v zásobníku vybaveném dvěma výměníky tepla. První výměník je napojen na výše zmíněnou teplovodní otopnou soustavu. Druhý výměník je napojen na okruh s tepelnými solárními kolektory. Doplňkovým zdrojem je elektrická topná patrona. Energetické toky a stavy vnitřního prostředí jsou měřeny s časovým krokem 15 minut, data jsou zaznamenávána řídicím systémem.

Na rodinný dům byl proveden výpočet ukazatele SRI. Celkový ukazatel pro řešený rodinný dům vyšel v hodnotě 37 %. Výsledky jednotlivých kategorií jsou shrnuty v tabulce 1.

Následně je provedeno hodnocení budovy pomocí průkazu energetické náročnosti budovy. Vyhodnocení PENB je prezentováno v rámci výsledků dohromady s virtuálním průkazem. Pro vyhodnocení virtuálního průkazu byla využita data z měření za období 1. 7. 2019 až 30. 6. 2020, nicméně výpočet je proveden metodikou v souladu s novou vyhláškou o energetické náročnosti budov č. 264/2020 Sb., kde jsou kupříkladu změněné konverzní faktory. Data neproběhla přepočtem, protože cílem příspěvku je vysvětlení celkového konceptu V-PENB.

Výsledky

V této kapitole je provedeno vyhodnocení V-PENB. Jedná se o rozšíření PENB tak, že vždy napravo od hodnot z PENB vycházejících z legislativy jsou vyhodnocené provozní energetické toky (podbarvená pole). Levá polovina zobrazuje neobnovitelnou primární energii. Zatímco v PENB je budova zařazena do třídy C, provozní primární energie z neobnovitelných zdrojů, je zatříděna do třídy A. Je to dáno tím, že uživatelé budovy upřednostňují pro vytápění kusové dřevo před elektrokotlem. Konverzní faktor kusového dřeva je 0,1, zatímco elektrická energie je na 2,6. Změna poměru energonositelů je zaznamenána ve srovnávacích diagramech napravo nahoře, kdy podíl kusového dřeva stoupl z 33 % na 68 %, zatímco elektrická energie klesla z 56 % na 16 %. V pravé dolní části jsou pak rozepsány dílčí dodané energie a celková dodaná energie. Celková dodaná energie klesla z předpokládaného zatřídění v kategoii B na třídu A. Podobně klesla spotřeba energie na vytápění. Příprava TV spadla z C na A. Nižší je i spotřeba elektrické energie na osvětlení. Ta z kategorie F klesla na D.

Emotikony přiléhající k jednotlivým hodnocením pak značí pokles či vzestup dané energie vůči předpokladu stanoveném v PENB. Je-li spotřeba energie menší, emotikon se „usmívá“. Je-li nižší, ale nemění se zatřídění, emotikon se tváří „neutrálně“. V případě zhoršení zatřídění se emotikon zbarví do červena a tváří se „smutně“ (viz obrázek 4). Součástí V-PENB je i proklik na podrobnosti o jednotlivých energetických tocích.

Obr. 4 Vyhodnocení provozní energetické náročnosti rodinného domu v Rýmařově formou virtuálního průkazu energetické náročnosti budovy

Další možnosti vývoje V-PENB

Stav, v němž je vývoj V-PENB v době psaní tohoto příspěvku (3Q 2021), umí vyhodnotit jeden vybraný rok provozu budovy. Logickým budoucím zdokonalením by mohlo být trendové sledování chování budovy po energetické stránce. Principem by bylo sledování vlečeného součtu přepočtených energetických toků vždy za poslední rok v denním časovém kroku. Na základě toho by se sledoval průběh ročních spotřeb energie, jakož i průběh provozního zatřídění budovy v kategoriích A-G.

Dále je nutné zdokonalit vyhodnocování provozní energetické náročnosti a její přepočty na stejné okrajové podmínky.

Závěr

Virtuální průkaz energetické náročnosti může sloužit jako jasná informace o stavu provozních energetických toků v budově a jejich porovnání s předpokladem stanoveným v PENB, který vychází z platné legislativy. V tomto příspěvku je prezentována jeho vývojová alfa verze, která nepokrývá všechny aspekty energetické náročnosti. Výsledná verze by měla být podrobnější s robustními analýzami jednotlivých dílčích dodaných energií i detekcí kritických období, kdy provozní energetická náročnost nadměrně vzrostla. Součástí by měl být i podrobný přepočet okrajových podmínek tak, aby byly srovnatelné s okrajovými podmínkami použitými v průkazu energetické náročnosti.

Pozn.:
Příspěvek byl přednesen na konferenci Vytápění 2021, Třeboň, pořádané Společností pro techniku prostředí.

Literatura

1. HORÁK, O., KABELE, K. Testing of Pilot Buildings by the SR! Method. Vytápění, větrání, instalace: odborný časopis Společnosti pro techniku prostředí. Praha: Společnost pro techniku prostředí. 2019, 28(6), 331–334. ISSN 1210-1389.
2. HORÁK, O., KABELE, K. Energetická náročnost a skutečná spotřeba energie. In: Konference Vytápění Třeboň 2019. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2019. p. 27–31. ISBN 978-80-02-02847-5.
3. Smart Readiness Indicator for Buildings I Smart Readiness Indicator for Buildings. Smart Readiness Indicator for Buildings I Smart Readiness Indicator for Buildings [online]. URL: https://smartreadinessindicator.eu/
4. DlRECTIVE (EU) 2018/844 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 30 May 2018 amending Directive 201O/31/EU of the energy performance of buildings and Directive 2012/27/EU on energy efficiency [online]. Copyright ~ [cit. 26.05.2021]. Dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32018L0844&from=EN
5. 264/2020 Sb. Vyhláška o energetické náročnosti budov. Zákony pro lidi – Sbírka zákonů ČR v aktuálním konsolidovaném znění [online]. Copyright ~ AlON CS, s.r.o. 2010 [cit. 01.06.2021]. Dostupné z:
   https://www.zakonyprolidi.cz/cs/2020-264/zneni-20200901

Tato práce byla podpořena grantem SGS21/008/0HK1/1T/ll a byla realizována za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu v programu TRIO.