Dipl.-Ing. Dieter Brandt poradní inženýr pro pasivní domy
Ekologické pasivní domy veřejných a soukromých stavitelů 1
Co je pasivní dům? Pasivní domy se vyznačují
•
dobrou tepelnou izolaci (stěny a okna, střecha a podlaha)
•
a dobrým těsněním (proti konvekci, nikoliv proti difuzi !)
s tím, že energetická potřeba na vytápění je mimořádně nízká a blíží se k nule (< 15 kWh/m²*a). Přitom pasivními nositeli energie jsou:
•
obyvatelé domu formou odvodu tepla
•
solární energie, získané okny
•
odpadní teplo elektrických spotřebičů
Všechny přispívají k vyrovnání a minimalizaci tepelných ztrát (2/3). Zvyšuje se tepelný komfort a interní mikroklima.
2
Využití možností stavební tepelné izolace !
Spolková země Sasko provádí aktivní politiku ochrany klimatu s výrazným zdůrazněním energetických úspor. Prosazování stavebního metodu pasivních domů se považuje za podstatný příspěvek k zredukování celkových emisí. Avšak jsou omezené možnosti finanční podpory. K dodatečným investičním nákladům stavby pasivního domu pro ukázkové nebo demonstrační záměry je možno finančně přispět v rámci projektu Innovations- und Praxisverbund Passivhaus (inovační a praktické sdružení pasivní dům), pokud projekty jsou vhodné pro tento účel. Dále se podporují komunikativní opatření k rozšiřování technologie pasivního domu. Obr. 1
pasivní dům v Freiburg
Ve východním Německu činí v novostavbě potřeba energie na vytápění bytu [(15 kWh/m²*a) * 75 m²] / η = cca 1400 kWh/rok, přičemž parametr η = 0,8 je průměrný stupeň využití energetického obsahu paliva.
12.10.2005
Cena plynu činí pro odběratele s nízkou spotřebou asi 11 Ct/KWh (to je např. tarif pro soukromé odběratele v Drážďanech), tím obyvatel středně velkého bytu v pasivním domě má roční náklady na vytápění ve výši cca 170 €. To je měsíční částka 14 € nebo příplatek na nájemné ve výši 0,18 €/m2, který můžeme započítat do nájemného bez vytápění. Byty se dají pronájmout za nájemné bez nákladů za vytápění, čimž najímatel nemusí zaplatit náklady za elektroměr a vyučtování nákladů za topení.
3
Hlavní kritérium standardu pasivního domu
Standardní pasivní dům sníží spotřebu tepla na vytápění nových budov na nízkou hodnotu 15 kWh/rok a čtvereční metr obytné plochy = 1,5 l topný olej /m² nebo 1,5 m³ zemní plyn /m². A co je mnohem důležitější: Vyjádřeno v palivové energii dřevěných paliv (dřevĕné brikety, odřezky, polena atd.) je to pro byt o ploše 75 m2 asi 300 kg dřeva (cca 1 krychlový metr suchých polen) ročně! To je asi 1:7 měrné spotřeby energie ve srovnání se současným standardem tepelné izolace nové budovy. Je snaha dosáhnout kvocientu 10. Vztažná plocha (označená jako obytná plocha) je obytná základní plocha uvnitř tepelného pláště. Co znamená termický plásť, uvedeme ještě na jiném místě. Pasivní dům však není domem, který nespotřebuje žádnou energii. Ale je jednodušší zabezpečit resp. ukládat zbytkovou potřebu energie formou (bio-)paliv v zimním období než uložit solární energii v létě v rozsahu 10 – 20 m3 za byt nebo dům, aby byla jako špička v zimním období k dispozici. Pasivní domy mají jednoduchou stavební konstrukci. Nemají dodatečné technické zařízení k dalšímu zredukování potřeby energie na vytápění, aby byl vhodný poměr mezi investicemi a energetickým efektem. Přesto se dají pasivní domy snadněji než jiné běžné budovy upravit jako domy bez energetické spotřeby anebo i jako malé elektrárny (při respektování všech druhů energie), když například ještě umístíme fotovoltaické články na výrobu elektřiny. Rozhodující jsou přitom vždycky cíle majitele domu. Energetická bilance pasivních domů na pravé straně následujícího grafu ukazuje, jak můžeme dosáhnout kladného výsledku opatřeními jako utěsnění a tepelné izolace (podle definice, odst.1):
2 von 12
Energieverluste oder -gewinne in kWh/m²*a
120
Solargewinn der Fenster Innere Quellen
100
Heizung 80
Fenster Süd
74
Fenster Ost
60
87 %
40
Fenster West Dach Außenwand
20
Grund 0
Verluste
Gewinne
Verluste
Gewinne
Lüftung
Graf 2:
D Roční energetická bilance pro budovu podle platného německého předpisu tepelné izolace E-nEV (vlevo) a pro pasivní dům (vpravo) Efekt konstantních energetických zisků (solární zisky okny a vnitřní zdroje) v oblasti nízkých ztrát způsobuje zredukování energetických ztrát o 74 % a úspory energie na vytápění o 87 %. Verluste - ztráty; Gewinne - zisky Solargewinn der Fenster – solárni zisky okna; Innere Quellen – vnitřní zisky; Heizung - topení; Fenster – okna; Dach – střešní; Außenwand - obvodové stěny; Grund - stropy nad podzemním podlažím; Lüftung - větrání
Energetická bilance ukazuje: Pasivní domy jsou s to, po zredukování energetických ztrát účinněji využívat energetické zisky: • •
odpadní teplo použité energie uvnitř obydleného domu a solární energie okny.
Odpadní teplo vzniká při vaření, chlazení pomocí chladničky, při praní pračkou nebo bez ní, při ohřevu, distribuci a použití teplé vody, pochází od počítače a všech elektrických spotřebičů. Také teplo lidského těla je využitelným zdrojem. Energetická potřeba na vytápění je u pasvních domů čím nižší, tím lepši je izolace oken a tím lépe je odsouhlasen zisk solární energie okny s potřebou energie v zimním i letním období (nesmí být příliš vysoký!). Jako pomůcka je k dispozici Passivhaus-Projektierungspaket (projekční podklady pasivního domu), jejich pomocí můžeme bez dynamické simulace na počítači vypočítat pasivní dům způsobem tabelární kalkulace. Tabelární program uplatňuje parametry, které byly získany z dynamické simulace roční energetické bilance. Existuje dodatečné kritérium pasivních domů, o kterém se nechceme v detailu zmínit: Maximální celková roční potřeba primární energie pro pokrytí energetických nároků bytu resp. domu smí činit maximálně 120 kWh/m2 za rok. Solární zařízení na ohřev teplé vody a energeticky úsporné domácí spotřebiče mohou zabezpečit splnění tohoto požadavku, pokud je zabezpečeno hlavní kritérium.
4 4.1.
Jednotlivé stavební komponenty pasivního domu Termický obvodový plášť
Tím se rozumí úplná izolace všech vnejšich ploch budovy. Musí být kompletní a bez tepelných mostů, jako tlustý plášť! 3 von 12
Tloušťka tepelné izolace – viz tab. 1. Vyloučení tepelných mostů je mimořádně důležité, protože tepelné mosty způsobují dodatečnou tepelnou ztrátu, která je do 0,01 W/K u bodových tepelných mostů a do 0,01 W/K u lineárních tepelných mostů v délce jednoho metru.
Obr. 2: Obě obalové konstrukce pasivního domu: Termický plášť (žlutý) a proti konvekčně utěsněný plášť (červený)
Obr. 3: izolace minerální vlnou o tlouštce 30 cm
4 von 12
4.2
Konvekčně utěsněný obvodový plášť
Pasivní domy jsou podle možnosti konvekčně těsněny, ale difuzně otevřené! V odborně postavených pasivním domech není vysoká vlhkost. Také v nejnevhodnejším případě (místo za skříní v studeném rohu na vnejší straně) nemůže dojít k plesnivění (50 %). Roh je teplý (podmínka je cca 16°C; t > 12,6°C !) Neprodyšnost lze dokázat zkouškou Blower-door-test. Při provádění této zkoušky hotová hrubá stavba bude vystavena přetlaku a podtlaku 50 Pa a měřen průtok vzduchu m3/h, který je zapotřebí pro zachování tlaků. Těsnicí práce je třeba provádět dokud koeficient výměny vzduchu „n“ nezůstane pod 0,6 (t.j. poměr průtoku vzduchu k objemu budovy). Jinak úniky jsou příliš velké a větrací zařízení se zabudovaným výměníkem tepla pro rekuperaci nemůže účinně pracovat.
Obr. 4: Zjištěné úniky během zkoušky Blower-door-Test.
Obr. 5: „Blower“ ve dvěřích během zkoušky
Konvekčně izolované obaly v oblasti sádrokartonování se skládají z difuzní folie nebo stavební lepenky. V oblasti vnějších stěn nových budov ze zdiva je to vnitřní omítka se vzduchotěsnými pouzdry pro zásuvky, spínače, krabice atd. anebo vzduchotěsně upravená pouzdra. Také ostatní provádění (potrubí, vedení atd.) musíme samostatně utěsnit. Všechny přechody se přilepí speciálními lepicími pásky a lepidlem, např. přechod od vnitřní omítky k základu. Nejvyšší pozornost věnujeme izolaci/těsnění mezi rámy oken a stěnami.
4.3.
Okna pasivního domu
„High tech“ pasivního domu je soustředen na okna a větrání s rekuperací tepla. Obě složky musí vyhovět použití v pasivním domě, musí být certifikovány, aby byly zabezpečeny výpočtové parametry.
5 von 12
Obr. 4: Řez okna pasivního domu s izotermami. Správná instalace do izolované dřevěné stěny.
Rozhodující jsou tři hlavní články okna: sklo, rám a těsnění. Podrobné údaje jsou uvedeny v tab. 1. Maximální hodnota 0,8 W/m2 * K (Uw) u nejlepších rámů můžeme dodržet pro sklo pouze s hodnotou Ug < 0,7 W/m2*K. Vývoj trojnásobného zasklení se zvláštním pokovením a plynovou výplní (např. argon) a především vývoj superizolovaných rámů byly předpokladem realizace prvních pasivních domů. V současné době je na trhu velký výběr speciálního skla a kompletních, také dřevěných oken na pasivní dům. Podle mého názora toho času nejlepší okna jsou okna znázorněná na následujících obrázcích.
Obr. 5: Okna systemu “Leipzig“, Uw = 0,68 W/ m2*K. Obr. 6: Pro okno není nutné protisluneční zařízení.
Okna na pasivní dům mají celoroční kladnou bilanci energie. Mezi nejdůlěžitější prvky pasivního domu patří co výhodnější dispoziční řešení budovy v terénu s pokud možno s orientací co největších proskleních ploch na jižně - západní nebo jižně - východní stranu. Prosklená plocha musí být tak velká, aby vnášela v zimním období dost energie do budovy a zároveň tak malá, aby v létě nedošlo k přehřátí (s respektováním protislunečního zařízení). Pomocí projektové dokumentace lze provést tuto optimalizaci. Okna s orientací na severně-západní a severněvýchodní stranu nesmějí být příliš velké.
6 von 12
4.4
Rekuperace tepla z odpadního vzduchu
Z levého sloupu diagramu 2 vyplývá, že bez zredukování ztrát větrání nemůžeme dosáhnout standardu pasivního domu – alespoň ne v stejné míře jako transmisní tepelné ztráty. Toho lze dosáhnout pouze rekuperací tepla, které je obsažené v odpadním vzduchu. Přiváděný vzduch do budovy se předehřívá odpadním vzduchem, a sice v rekuperačním výměníku mezi přiváděným a odpadním vzduchem. Pro účely rekuperace pasivní dům musí mít větrání v zimním období. V letním období může rekuperace spolu se zemním výměníkem tepla udržovat teplotu v budově na přijatelné hodnotě ochlazováním. Ventilátor na přiváděný vzduch dodává čerstvý, předehřívaný vzduch do prostor budovy. Ventilátor na odpadní vzduch odsává stejné množství vzduchu z kuchyně, koupelny, záchodu atd. Oba ventilátory mají společnou řídicí jednotku. Řízené větrání je často považováno za nevhodné – ne každý uživatel domu je smířen s tím, že nebude větrat klasickým způsobem okny, ale bude zcela závislý na technice. Ve skutečnosti řízené větrání má spoustu výhod a pouze málo nevýhod (např. dodatečné náklady) za předpokladu, že je optimálně dimenzováno podle potřeby. Podrobné údaje o tom včetně zemního výměníku tepla uvede pan Paul ve své přednášce. Na tomto místě chci připomenout pouze skutečnosti, která jsou důležité z hlediska pasivního domu: 1
V zimním období průtok vzduchu (přiváděný vzduch = odpadní vzduch) má být omezen na 30 m3/h na osobu. Jinak je vzduch přiliš suchý. Průtok vzduchu se seřídí na centrální řídicí jednotce, musí být variabilní podle dlouhodobého obsazení domu pomocí manuálního stupňového spínače: minimální větrání, základní větrání, špičkové větrání. Hlavně minimální stupeň musí být nízký. Když jsou v domě přítomné pouze dvě osoby, činí nutný průtok vzduchu pouze 60 m3/h. V tomto případě synchronizace průtoku vzduchu v jednotlivých místnostech domu může být složitá. Za těchto okolností je třeba při plánování předpokládat cyklovač.
2
Dosud je málo zkušeností s použitím snímačů jakosti vzduchu (obsah CO2, vlhkost, záznamník pohybu atd.) pro řízení větrání v pasivním domě. To je však opce, jejichž vyzkoušení by se stálo za to.
3
V domech s několika bytovými jednotkami má každý byt vlastní řídicí jednotku, avšak pouze ve výjimečných případech vlastní kotel na vytápění.
4
Energetická potřeba centrální jednotky nesmí překročit 0,45 W/(m3/h). V případě jednotky za max. 200 m3/h činí pak špičková potřeba 90 W.
5
Centrální jednotky většinou mají takovou hlučnost, že je vhodné je umístět v strojovně.
6
Přívodní potrubí do obytných prostorů a odvodní potrubí z koupelny, kuchyně atd. musí být vybaveny tlumiči hluku pro zabránění přenášení hluku z jedné místnosti do druhé.
7 von 12
7
Někteří odbornící dávají přednost dohřívání přiváděného vzduchu dodatečným výměníkem tepla umistěného v centrální jednotce. Z důvodu závislosti přívodního vzduchu na počtu osob a z hlediska max. teploty přívodního vzduchu 50°C doporučuji rozdělení tepla pomocí decentrálních topných těles v prostorech. Vzhledem k nízké zbytkové potřebě tepla na vytápění je to poměrně nenáročné.
8
Pro každé řízené větrání je nutný protokol měření pro účel synchronizace průtoků vdzuchu pro přívodní a odpadní vzduch do jednotlivých prostorů jakož i k sladění průtoku vzduchu v řídicí jednotce.
9
Průtok vzduchu z obytných prostorů na stranu odpadního vzduchu v kuchyni, koupelně atd. vyžaduje izolované přepouštěcí otvory ve vnitřních dveřích.
5
Přehled o stavebních komponentách a parametrech stavby pasivního domu
Tab. 1: Přehled o stavebních komponentách
1
Uzavřený obvodový plášt se superizolací obvodových ploch Obvodové stěny u novostaveb: (v závislosti na klimatických podmínkách regionu) při modernizaci stávajících budov:
2
Větrání s rekuperací průtok vzduchu (vstup = výstup): stupeň rekuperace tepla:
3
Zemní výměník tepla pro předehřev přívodního vzduchu na zemní teplotu
4
Obal obvodových ploch, konvekčně izolovaný (však otevřený vůči difuzi!) výměna vzduchu při tlakové diferenci 50 Pa:
5
Vnější dvěře a okna se superizolací, skla se zvláštním pokovením a trojnásobné zasklenění s plynovou výplní, superizolované rámy
Skla s vysokou propustností tepelného záření, stupeň propustnosti tepelné energie: Konstrukce s vyloučením tepelných mostů, součinitel te7 pelných mostů: Orientace velkých prosklených ploch na stranu východ-jih8 západ, malé prosklené plochy s orientací na východ-server 9 zastínění v malé míře, podle možnosti listnaté stromy Solární kolektory na ohřev vody 10 a popř. na vytápění, stupeň pokrytí solární energií: 6
Ugesamt 85% Min. auf +4°C
n50< 0,6 h-1 Uw(skla+rámy)< 0,8 W/m²*K
g> 0,5 Ψ< 0,01 W/m*K
> 50%
Hlavní charakteristika pasivního domu je vyjádřeno v parametrech posledního sloupce tabulky, to znamená v intenzitě použitých opatření: superizolace, omezený průtok vzduchu větrání na 30 m3 na hodinu a osobu, vysoký vzduchotěsný stupeň obvodového pláště atd., kvalitní architektonický návrh a důsledné zpracování projektové dokumentaced, optimální soulad všech komponent.
8 von 12
6
Zajištění jakosti
•
Etapa navrhování a zpracování projektové dokumentace
Nenavrhujete pasivní dům, když jste neabsolvoval zvláštní zaškolení nebo nemáte zkušenosti v této oblasti! Architekt nebo poradní inženýr pro pasivní domy by měli dohlížet nad Vaší projekční činností. Můžete provádět výpočty pasivního domu pomocí dokumentace Passivhaus-Projektierungs-Paket (pomůcka na navrhování pasivního domu) a poté nechat provést audit pasivního domu s certifikací.
•
Realizace
Tady je situace obdobná: Naléhavě nutné je speciální zaškolení stavařů, pokud u nich nejsou zkušenosti se stavbou pasivních domů. Velmi důležité je stavební energetický dozor při realizaci stavby, neboť nesprávné skladování materiálů a nekvalitní provedení prací může původní architektonický záměr zcela zmařit. Zásadně platí: K použití jsou povoleny výlučně stavební komponenty a technologie, způsobilé a povolené na pasivní domy a podle možností s certifikací ústavu Passivhaus-Institut. PassivhausInstitut má pod internetovou adresou www.passiv.de stále aktualizovaný seznam těchto komponent a technologií. Zavírejte smlouvu o stavbě pasivního domu teprve poté, když máte k dispozici kopie certifikátů stavebních komponent pasivního domu. Realizační firma pro provedení superizolace musí disponovat licencí nositele systému.
7
Výsledky a zkušenosti
•
Zkušenosti
Pasivní domy se v praxi osvědčily. Prvky a komponenty tohoto způsobu stavění mají vysoký úrověn, jsou mnohokrát zkoušeny a k dostání na evropském trhu. Doposud bylo úspěšně realizováno několik tisíc budov v Německu, Rakousku, Švýcarsku a jiných zemích. Pasivní domy maji vždycky kvalitní vzduch a komfortní vnitřní prostředí. Uživatelům je v nich prosto příjemně! Pokud nebyly podstatné vady při realizaci! Ale to platí obecně pro stavitelství. Když místnosti bytu, např. ložnice, mají zůstat chladné, musíme je termicky odpojit. To znamená vyšší investiční nárok a dodatečné náklady, přináší s sebou vyšší ztráty energie a tím i nákladů. Z odpovídajích výpočtů vyplývá, že se to pohybuje v omezeném rámci (dodatečně cca 3 kWh/m2/rok). Okna pasivního domu jsou na vnitřní straně velmi teplá, tím nemáme žádné proudění studeného vzduchu. Z toho vyplývá, že topná tělesa nemusíme umístět pod okny. Malá topná tělesa můžeme umístět centrálně, což znamená krátké cesty při pokládce potrubí. V létě máme příjemné vnitrní prostředí, když větrání občas pracuje. Přitom se obtéká výměník tepla v ústřední jednotece a přívodní vzduch, chlazený zemním výměníkem se přímo dostává do budovy. Jinak můžete regulovat teplotu v budově přírodním větráním v noci a zavřenými okny dnem, a to lépe než v každém běžném domě.
•
Dokumentované výsledky
9 von 12
Evropská unie (DG 17, program Therme) podporovala vývoj pasivních domů v letech 1998 až 2001 svým projektem CEPHEUS. Ve výše uvedených zemích jakož i ve Švédsku a ve Francii byly realizovány pasivní domy různého provedení. Vedle vědeckého zhodnocení bylo provedeno srování se stavbami, které byly postaveny podle národních norem tepelné izolace. Všech 250 bytových jednotek ve 14 budovách vyhovělo přísným ukazatelům pasivního domu (Lit. 2-3). Překvapující skutečností bylo, že projekt CEPHEUS pro výstavbu 14 budov v pěti evropských zemích musel vynaložit v průměru pouze 8 % dodatečných nadstandardních nákladů. V Německu se přepokládá 10 – 15 % vyšších nadstandardních nákladů ve srovnání s toho času platnou normou tepelné izolace (EnEV 2002).
8
Závěry: Pasivní domy jsou jednoduché a účelné
Idea pasivního domu má jasné cíle: malými nadstandardními nároky při stavbě a maximální šetření energie při bydlení. Ve srovnání se solární architekturou mají pasivní domy poměrně jednoduché řešení. Stavební inženýři se zaměřením na solární architekturu se stále více zajímají o pasivní domy. Dobrá solární architektura může šetřit pouze u 15 kW/m2/rok tepelné energie na vytápění, přičemž je to už velmi nízká hodnota. Většinou mají domy solární architektury větší spotřebu, a především jsou dražší.
Obr. 6: Venkovská architektura v severním Bavorsku, postavený v sedmdesátých letech. Pasivní dům (architekt: Dr. Schulze Darup) je přizpůsoben této architektuře. Střešní plocha je otevřená k slunci.
Pasivní domy nepotřebují klimatizaci jako ochranu před přehřátím v létě. Pro zastínění postačí jednoduchá opatření jako žaluzie, markýzy, přesahy na vnejších stěnách atd. Pasivní dům jako takový neexistuje, jsou pouze pasivní domy. Téměř každá architektura se dá upravit jako pasivní dům, když se vyloučí resp. omezí tepelné mosty (rohy na obvodových stěnách, průniky atd.) Můžeme relizovat téměř každý typ budovy jako pasivní dům. Už existují školy, kancelářské budovy, fabriky, obytné domy, mateřské školky atd., postavené touto technologií. Ve většině případů mají tyto budovy z architektonického hlediska vyšší zhodnocení.
10 von 12
Pasivní domy mají jednoduché řešení i s tím, že u nich je tepelná izolace provedena jedním krokem až na doraz (blízko k nule). Všechna opatření musíme navrhnout a realizovat jako kompletní celek. Koncept pasivního domu má vzhledem k úspoře energie úspěšné zaměření. Proto se pro pasivní domy udává hodnota měrné spotřeby energie do max. 15 kWh/m2 ročně. Projekční kanceláře a realizační firmy pasivních domů nejsou orientovány na zisk, nýbrž zaměřeny na snižování energetické spotřeby. Pasivní dům má vzhledem k pronajímatelům a uživatelům také ekonomickou orientaci. Pro vytvoření pracovních míst s lokální tvorbou hodnot má pasivní dům podobný význam jako využivání obnovitelných zdrojů energie.
Literatura [1] Feist W., “Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser”, Verlag Das Beispiel, Darmstadt 2001, pp. 7 and 62 [2] Krapmeier H. and Drössler E., “CEPHEUS Wohnkomfort ohne Heizung” ( in Deutsch und Englisch), Springer Wien New York 2001, ISBN 3-211-83720-5. Das Buch ist das offizielle Abschlussdokument des Projektes CEPHEUS Austria (Cost Efficient Passive Houses as an European Standard) 1998-2001, unterstützt durch das EU Programm Thermie (BU/0127/97) [3] Endbericht des EU-Projektes CEPHEUS Deutschland in deutscher Sprache herausgegeben vom Passivhaus-Institut.
Definice a vzorce U
λ n Ψ Ψ
jednotky vymezení W/m²*K Koeficient prostupu tepla: Udává jaké množství tepla (W) proteče metrem čtverečním, činí-li rozdíl teplot na vnější a vnitřní straně průtokové plochy 1 K. W/m*K Tepelná vodivost stavebniny: Udává jaké množství tepla (W) proteče průřezem 1 m2 zkušebního tělesa o tlouštce 1 m, činí–li rozdíl teplot na obou stranách 1 K. Koeficient výměny vzduchu: Průtok vzduchu v m3/h ve vztahu k vnitřnímu objemu m3 budovy. W/m*K Koeficient lineárního tepelného mostu: Průtok tepla W, který proteče tepelným mostem o délce 1 m, činí-li rozdíl teplot 1K. W/K Koeficient bodového tepelného mostu: Průtok tepla W, který proteče tepelným mostem, činí-li rozdíl teplot 1 K. Primární energie: Energie obsažené ve fosilních palivech, v případě elektřiny uhlí pro výrobu elektřiny.
11 von 12
