studijní program
ČVUT, Fakulta architektury B 3501 Architektura a urbanismus
předmět
Ekologie I
škola
přednáška přednášející
EKONOMIE Pavel Šmelhaus
podpořeno
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Projekt byl podpořen z programu Operační program Praha – Adaptabilita Název Architektura bydlení Reg. číslo CZ.2.17/3.1.00/34101
Spotřeba primární energie ve světě Provoz budov 40%
Doprava 20%
Průmyslová výroba 20%
Nová výstavba 20%
Provoz budov a stavebnictví spotřebovávají ročně více než polovinu energie na světě.
Provoz a výstavba budov mají největší vliv na celkovou spotřebu energie ve světě = VELKÁ ZODPOVĚDNOST ARCHITEKTA Primární energii vloženou do vlastní výstavby a výroby stavebních materiálů můžeme snížit vhodnou volbou stavebních hmot (lokální zdroje, obnovitelné a recyklované suroviny atd.) Provozní spotřebu energie lze výrazně zredukovat optimálním návrhem energeticky úsporné stavby a správným užíváním budovy
Energie jako nové politické téma
Kdo profituje z neefektivního využívání energií ? • Organization of the Petroleum Exporting Countries (OPEC) Alžírsko, Indonésie, Irák, Írán, Katar, Kuvajt, Libye, Nigérie, Saudská Arábie, Spojené arabské emiráty, Venezuela •
Gas Exporting Countries Forum, (GECF) - Alžírsko, Azerbajdžán, Bolívie, Egypt, Írán, Katar, Kazachstán, Libye, Nigérie, Rovníková Guinea, Rusko, Trinidad a Tobago,Venezuela
Země s nízkou mírou demokracie, potlačující lidská práva, používající exportu energetických surovin k politickým cílům.
Efektivita a bezpečnost těžby fosilních paliv Bezpečnost. • Ropné těžební plošiny a ropná pole představují jedny z nejsložitějších zařízení na světě • Havárie při těžbě a přepravě ropy mají velký dopad zejména na aquakulturu – rostliny a živočichy na vodu vázané . • Zemní plyn je z hlediska těžby enviromentálně příznivější
Efektivita a bezpečnost těžby fosilních paliv Efektivita. • Při těžbě ropy dochází ke spalování „odpadního“ zemního plynu • Jeho využití brání zejména chybějící infrastruktura vyžadující další investice • Spalovaní je však lepší než vypouštění - metan je škodlivější pro atmosféru než CO2 vzniklé spálením
Ročně je spáleno 150 miliard m3=150 PWh (150 000 TWh).
Struktura energetických zdrojů v ČR: 1.
2.
3.
4.
5.
Uhlí – nejrozšířenější pro elektrárenské a teplárenské účely, lokální vytápění Zemní plyn - zejména pro vytápění, nověji též pro kombinovanou výrobu tepla a el. energie (paroplynový cyklus) Ropa -doprava, chemická surovina , pro vytápění (LTO) a Vysoká závislost ekonomiky na tradičních energetických výrobu elektřiny jen v okrajově zdrojích, nenahraditelnost ropy Jaderná energie - elektřina, jen v oblastech chemického minimální teplárenské využití , průmyslu a dopravy, plyn celkem do 10% zůstává významným a relativně Obnovitelné zdroje - voda, vítr, čistým zdrojem tepla, do budoucna s perspektivou slunce, biomasa, geotermální většího podílu kogenerace energie celkově zatím pod 10% (výroba tepla + elektřiny).
Původ energetických zdrojů pro ČR: 1.
2. 3.
4.
5.
Uhlí – těžba v ČR, menší část dovážena z Polska a Ukrajiny Nevýhodou je výrazný dopad na krajinu, nízká účinnost výroby elektřiny, vysoké emise CO2, potřeba odsiřování. Zemní plyn – dovoz z Ruska (75%) a Norska (25%). Ropa – dovoz z Ruska (64%), Azerbajdžánu (26%) a Kazachstánu (7%) Jaderná energie – dovoz paliva z Ruska (100%) u JETE možnost úpravy na jiné palivové články. Obnovitelné zdroje – biomasa, solární a větrná energie. Nevýhodou je nízká spolehlivost a malá koncentrace energie, což však může mít pozitivní sociální dopad.
Obnovitelné zdroje energie - BIOMASA
10 kWh = 1m3 zemního plynu = 1 kg motorové nafty = 2,5 kg dřevěných pelet
Orientační porovnání energie obsažené v různých palivech.
Obnovitelné zdroje – SOLÁRNÍ ENERGIE množství energie na 1 m2 plochy 1000 kWh/rok =
teoretický solární zisk
300-500 kWh =
reálně využitelná energie z termálního systému
150 kWh =
získaná elektřina z fotovoltaiky (při účinnosti 15% neboli 1000 kWh z instalovaného kWp)
Přepočet na primární energie: 3.5 3
Využitá energie Primární energie
2.5 2 1.5 1 0.5 0 Biomasa palivové dřevo
Biomasa pelety
Zemní plyn
Hnědé uhlí
Elektřina (průměrně)
Centrální systémy vytápění biomasou - energetika centrální vytápění biomasou
Měňany Vstupní údaje:
počet obyvatel
250
počet domů
75
převládající způsob původního vytápění - lokální na tuhá paliva roční produkce prodejní cena za GJ cena za MW
4 800
GJ
1 310
MWh
250
Kč
915.8
Kč
64 17.472
GJ/dům MWh/dům
16000
Kč/dům
Centrální systémy vytápění biomasou - ekonomika inv./dům
Měňany
inv./os.
investice
40 000
tis.Kč
533.33
160.00
dotace
17 000
tis.Kč
226.67
68.00
úvěr
22 000
tis.Kč
293.33
88.00
28.80
8.64
instalovaný výkon
1 120
kW
splátka roční
2 160
tis.Kč
úspora nákladů za rok celkem
525
tis.Kč
úspora na dům
7.0
tis.Kč
úspora na osobu
2.1
tis.Kč
odpovídající úspora energie
roční tržba za prodanou energii náklady na výrobu provozní ztráta (pokrytí roční splátky úvěru) přepočtené náklady na výrobu skutečný nárůst nákladů
1 200 000
Kč
960 000
Kč
1 920 000
Kč
7.64
MWh
28.00
7.64
2.29
MWh
28.00
8.40
GJ
GJ
jsou vyšší než úspora -25 600
Kč
roční ztráta na dům
-7 680
Kč
roční ztráta na os.
12 800
Kč/dům
náklady na výrobu/počet domů
5 800
Kč/dům
náklady na dům po odečtení úspory
návratnost investice
76
let
celk.investice/úspora nákladů
návratnost úvěru z úspor (bez vlivu úroků)
42
let
úvěr/úspora nákladů
Elektřina a zemní plyn = klíčová energetická media pro provoz moderních budov
Roční výroba elektřiny v ČR je cca 56 000 GWh Export elektřiny představuje cca 15 000 GWh (tedy asi 18%) Dovoz plynu odpovídá 95 000 GWh
Kvalitní novostavba spotřebuje ročně okolo 15 MWh energie, pasivní domy cca 5-7 MWh.
Účinnost různých způsobů výroby elektrické energie: 100%
15
90% 80% 70% 60%
70
70
55
40
35
50%
85
40% 30% 20% 10%
30
30
Kondenzční uhelná elektrárna
Jaderná elektrárna
45
60
65
0% Paroplynová uhelná elektrárna
Teplárna uhelná
Paroplynová Kogenerace elektrárna (zemní plyn)
Proč šetřit provozními energiemi v budovách ??????????? 1. Snížení provozních nákladů 2. Zvýšení nezávislosti na dodavatelích energií 3. Společenská odpovědnost - co nespotřebujeme my, bude moci být efektivněji využito v budoucnosti
Provoz budov Provoz budov 40%
Doprava 20%
Průmyslová výroba 20%
Nová výstavba 20%
Provoz budov představuje největší potenciál pro úspory primárních energií
Struktura spotřeby energií v budovách - Vytápění (prakticky nezbytné ve všech budovách)
- Chlazení
(lze minimalizovat správným návrhem objektu)
- Větrání
(nucené větrání se používá stále častěji ve spojení s rekuperací vzduchu)
- Osvětlení a drobné spotřebiče (velmi individuální požadavky u jednotlivých budov)
- Vnitřní doprava
(výtahy,
eskalátory…)
- Provoz technologií (instalované výrobní technologie,počítačové vybavení, kuchyně – bezprostředně nesouvisí s návrhem stavby)
Kdo má zájem postavit energeticky úsporný objekt ? Stát, obce, samosprávné orgány: uvažují většinou ve 4 letém horizontu volebního cyklu – úspornější stavba=dražší stavba, kritika zbytečné investice ze strany opozice, problematický vliv „Evropských dotací“. Developer, komerční investor: Sleduje prostou návratnost investice - nízké stavební náklady+co nejvyšší prodejní cena, deklarovaná úspornost se bere především jako marketingový prvek. Autonomní společnosti stavějící pro sebe: Chtějí kvalitní objekt za relevantní náklady, orientují se v problematice a dokáží si spočítat návratnosti celkové investice. Individuální stavebníci: Stavbou si chtějí splnit zejména svůj životní sen - vlastní dům. Parametry a návratnost investice pro ně nemusí být vždy prioritou.
Významná role architekta jako tvůrce energetického konceptu!
Struktura provozních nákladů Roční provozní náklady- koupaliště a plavecký bazén amortizace odpisy (2% ročně) pojištění (0.25% z 25% ceny objektu) 3%
plyn/vytápění 13%
mzdy 31%
režie 2%
el.energie 9% vodné+ stočné 9%
externí služby 8%
U komerčních staveb jsou provozní náklady na personál a služby většinou vyšší než náklady na energie. Výrazně se podílejí též účetní položky - amortizace,odpisy, pojištění atd.
Snížení provozních nákladů Provozní náklady domu (nízkoenergetický standard, užitná plocha 160m2)
Splátka hypotéky 72%
Ene rgie 13% Pojištění 2%
Vodné+stočné 2% Úklid 7% Údržba zahrady 4%
Objekty pro bydlení mají podíl energie na provozních nákladech vyšší, poměr ale výrazně mění splátky hypoték - ty vysoce převýší ostatní provozní náklady.
Hlavní zásady návrhu energeticky úsporné stavby • • • • • • •
•
Vhodné dispoziční řešení objektu – ne vždy je možné-tvar pozemku, orientace , výhled atd. Minimalizace tepelných ztrát prostupem konstrukcemi (okna, střecha, stěny….) – limitováno technologickými možnostmi zejména u rekonstrukcí Využívání solárních zisků pasivním i aktivním systémem – pasivní závisí na uživatelích stavby, aktivní navyšuje investiční náklady Vysoce účinný a dobře regulovatelný zdroj tepla – musí však vždy být správně nastaven provozní režim Omezení nadměrné infiltrace vzduchu a řízené větrání s rekuperací tepla – vzduchotěsnost i větrání jsou opomíjené, a ne vždy uživateli akceptované Eliminace mechanické klimatizace v objektu – v komerčních objektech vyšší kategorie to je však často vyžadováno jako nezbytný standard.
Užívání objektu v souladu s jeho koncepcí – vše výše uvedené je zbytečné realizovat není-li to v praxi využíváno
Výrazný vliv solárních zisků • Pasivní solární systémy přímý ohřev interiéru solární radiací- tvar domu, solární okna, zimní zahrady atd. – nutnost ochrany před přehříváním interiéru, klimatizace je často energeticky náročnější než vytápění.
• Aktivní solární systémy slunce dodává energii kolektorům, nutnost zajištění stálého odběru tepla či elektrické energie, problém volby vhodné velikosti. Čistá ekonomická návratnost je (bez dotací) problematická, u fotovoltaiky naopak zkreslená vysokou výkupní cenou elektřiny.
Energetická bilance zimní zahrady 7 000
roční spotřeba
6 000
solární zisky (X-IV) bilance
5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 -1 000 -2 000 -3 000
kW h/ro k
5
10
15
v nitřní v ýpočtov á teplota (o C)
20
Vliv uživatelského chování na výslednou spotřebu 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 1
2
Při relativně nízkých spotřebách staveb je vliv uživatele nejdůležitějším faktorem na výsledné energetické bilanci.
Vliv uživatelského chování na výslednou spotřebu
Nejsnáze ovlivnitelným faktorem je vnitřní teplota- ta bývá překračována ve většině domů, každý stupeň navíc znamená 5-6 % nárůstu spotřeby.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb A .Urbanistické faktory – malé odstupy staveb, nevhodná parcelace nerespektující orientaci ke světovým stranám, studené a větrné lokality, požadavky na vzhled staveb
Investoři vybírají parcelu primárně dle atraktivity lokality a finanční dostupnosti pozemku a nezohledňují vhodnost k výstavbě – …“jsou tam sítě a cesta – dá se tam stavět!“
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb B . Regulativy místních samospráv a orgánů státní správy
Obce i orgány státní správy odmítají moderní, tvarově jednoduché a konstrukčně efektivní a energeticky úsporné domy s odůvodněním že v místě musí být domy tradičního vzhledu.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb C . Dispoziční požadavky stavebníků – stavební program domu se často nepodaří umístit do kompaktního tvaru domu , členitějším řešením tak narůstá ochlazovaný povrch stavby.
Plocha přízemí vychází větší než podkroví a provozně vhodnější dispoziční uspořádání je zpravidla upřednostněné před čistě energetickým hlediskem.
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb D . Individuální estetické požadavky stavebníků, kteří u energeticky úsporných opatření vyžadují prokázání rentability, zatímco celou stavbu z tohoto hlediska nehodnotí.
Celková energetická bilance stavby je záporná, z čistě energetického (i ekonomického) hlediska se novostavba domu (po započtení externích nákladů na dojíždění) mimo město nevyplatí. Od výstavby individuálních domů jsou očekávány jiné než ekonomické přínosy-pocit soukromí , život ve vlastním domě ve zdravějším prostředí atd.
-100 0
Davle
Sluňákov
Minisvět
Vranné
Kosmonosy
AB NOVES
Družec 08/09
Družec 07/08
Újezd
Maršov
Hloubětín
Mirošov
Špička
Ostrov
Křenovice
Liteň
Mrač
Říčany N.
Kostomlaty 09/10
Kostomlaty 08/09
Babice
Liberec
Čtveřín
Litoměřice 08/09
Litoměřice 07/08
Dům W
Rychnov
Koberovy škol.
-200 Koberovy
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb
E . Aktuální legislativní podmínky a jejich změny - koncepce návrhů se přizpůsobují různým dotačním programům Poměrné provozní náklady na energie
500
400
300
200
100
Limitující faktory při návrhu úsporných staveb F . Přísný požadavek na ekonomickou návratnost investice
Shrnutí zkušeností z provozu nízkoenergetických domů • Reálná spotřeba úsporných domů je ve většině případů nižší než byla předpokládaná výpočtová hodnota – Topná sezóna je kratší než je předpoklad ve výpočtu – Dům má reálně nižší spotřebu teplé užitkové vody – Nezapočítávají se energetické zisky z krbů na dřevo – U domů bez rekuperace (kde je dosaženo parametrů NED) nejsou pravděpodobně dodržovány normové objemy větracího vzduchu
Pasivní dům v podmínkách ČR
Nízkoenergetické domy
Pasivní dům Rychnov u Jablonce (ilustrační fotografie z časopisu Alternativní energie 3/2005)
Srovnání energetické spotřeby staveb Výpočtové hodnoty- rodinný dům 150m2 užitné plochy, te=-12oC, solární zisky svislým prosklením kWh/měsíc
5000 4500 4000
Běžná stavba Nízkenergetický dům Pasivní dům
3500
Solární zisky (pasivní)
3000 2500 2000 1500 1000 500
n rv e če
ět en
kv
n be
du
en
bř ez
or ún
n le de
d pr os in ec
to pa
n
ří zá
n sr pe
říj e
lis
če
rv e
ne
c
0
Vliv konceptu pasivní budovy na architekturu staveb Pasivní dům Rakousko
Nízkoenergetický dům ČR
Pasivní dům Česká republika
V lokalitách s nedostatkem slunečných dní v zimním období jsou u pasivního domu transparentní plochy ztrátové a je nezbytné jejich plochu redukovat na minimum .
Optimální poměr plochy oken pro energeticky úspornou stavbu • V oblastech kde je málo zimních slunečních zisků je okno ztrátovým prvkem stavby= čím méně oken tím lépe z energetického hlediska.
Energetické hledisko je jen jedním z mnoha při vytváření kvalitní stavby uživatelský komfort a zdravé vnitřní prostředí jsou prioritou.
Vliv výpočtové metodiky a vstupních údajů kWh/m 2a
Dům výpočtově umístěn do Německa (Hannover) Dům výpočtově umístěn do Rakouska (Vídeň) Výpočtově lepší parametr oken (U=0.8 místo 1.2W/m2K) Nízkoenergetický dům přepočet spotřeby na m2 podlahové plochy Nízkoenergetický dům přepočet spotřeby na m2 vnitřní plochy
0
5
10
15
20
25
30
35
Dosažení parametrů pasivní stavby je výrazně ovlivněno použitou metodikou a vstupními daty. Průměrné klimatické podmínky pro ČR nejsou příznivé pro pasivní stavby.
roční spotřeba kWh
Porovnání energetické spotřeby domu s automobilem
13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
automobil kWh/rok
NED kWh/rok
Dojezdová vzdálenost (km) 1
2
3 4
5 6
7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Při ujetí 10 000 km za rok (denní dojížďka cca 14km) je energetická spotřeba automobilu vyšší než tepelná ztráta nízkoenergetického domu.
Návrh budovy - nová výstavba Provoz budov 40%
Doprava 20%
Průmyslová výroba 20%
Nová výstavba 20%
=významný podíl architekta na celkové energetické bilanci.
0
500
750 1 000
Hliník
Plas t
12 500
v ápno 1 200 pálené v ápn o pálen é
cem en t
750
1 200
70 000
1 000
800
c ement
porobeton
550
500
450
600
porobeton
s třeš ní 550 k ní y taš k y staš třeš
cihla pln á
c ihla plná
300
400
c ihla 450 cihla aná děr ov an á děrov
beton 300 beton pros týpros tý
200 250
kWh/t
1000
lomov ý lom ov ý k ám250 en k ámen
50
1200
dřev o dř ev 50o
k W h/t
Spotřeba energie na výrobu 1 tuny materiálu
1400
Optimální materiálové řešení z energetického hlediska
V podmínkách Evropy stavba s maximálním podílem dřeva a co nejnižšími provozními nároky = nízkoenergetická či pasivní dřevostavba
0 souvrství+masiv.dřevo
9
podlahové
1.8 sádrokartonovésystémy
2.5 okna(dřevěná+trojsklo)
terasy
5
dřevěnéopláštění,dřevěné
11
zásypstřechykačírkem
24
dřevěnákonstrukceK-kontrol
20
vsakovací jámy-štěrk
2
obsyppotrubí-písek
štěrkovépodsypydlažby
(zámková,zatravňovací)
dlažby
základy-ocel
90
základy-monolit.beton
zemina
100
zemní práce-podkladní
Podíly materiálů použitých na u dřevostavby Hmotnosti jednotlivých částí dřevostavby (t)
120
100
87,4
80
60
40
23 15 4,8
Nejtěžší částí dřevostavby jsou její základy, výrazně se podílejí úpravy terénu a zpevněné plochy - dlažby a nezbytné štěrkové podsypy.
Celková hmotnost dřevostavby Podíl hmotnosti nadzemní části dřevostavby na výsledné bilanci (celkem 504 tun) 28%
zemní práce-podkladní zemina základy-monolit.beton 1%
základy-ocel dlažby (zámková,zatravňovací)
3%
6%
6%
1%
štěrkové podsypy dlažby obsyp potrubí-písek
15%
vsakovací jámy-štěrk 4% 1%
23%
0%
dřevěná konstrukce K-kontrol zásyp střechy kačírkem dřevěné opláštění,dřevěné terasy okna (dřevěná+trojsklo)
2%
sádrokartonové systémy
1%
podlahové souvrství+masiv.dřevo
24%
Nadzemní část dřevostavby představuje 15-25 % celkové hmotnosti materiálů s výstavbou domu spojených. Podíl silikátových materiálů zůstává i u ní vysoký, rozhodující jsou základy a terénní úpravy.
Celková hmotnost silikátové stavby Podíl nadzemní části zděné stavby na celkové bilanci 20%
základy-ocel
1%
dlažby (zámková,zatravňovací)
2%
5%
zemní práce-podsyp+podkladní zemina základy-monolit pasy+deska
štěrkové podsypy dlažby
1% obsyp potrubí-písek
19%
26%
vsakovací jámy-štěrk zdivo obvodové+příčky+strop
27%
zásyp střechy kačírkem
2% 1% 2% 0% 1% 1%
krov pult.střechy vnější omítka tepelněizolační okna (dřevěná+trojsklo)
18%
vnitřní omítka tep.izolační podlahové souvrství+masiv.dřevo
Nadzemní část zděné stavby představuje 25-50 % celkové hmotnosti stavby.
Příklad energeticky pasivní dřevostavby - Mateřská škola Mrač
Umístění stavby
Optimálně orientované parcela s dobrou dopravní dostupností, na okraji obytné zástavby, pozemek cca 3250m2, zastavěná plocha 695m2, terasa cca 200m2
Provozní členění objektu-přízemí 1.NP
Veřejná část, Školka (3 třídy), Společenská část, Technické a provozní zázemí
Patro 2.NP
Veřejná část, Technické a provozní zázemí
Suterén 1.PP
Společenská část, Technické a provozní zázemí
Výškové řešení-podélný řez
Veřejná část, Školka (3 třídy), Společenská část, Technické a provozní zázemí
Výškové řešení – příčný řez
Třídy optimálně orientované k jihu a jihovýchodu. Energeticky méně příznivý, členitý tvar je dán požadavkem na přirozené osvětlení hygienického příslušenství tříd.
Předpokládané energetické parametry a skutečné výsledky spotřeby Výpočtové hodnoty dle PENB: měrná spotřeba tepla na vytápění 11 kWh/m2a, celková měrná spotřeba energie 44 kWh/m2a, energetická náročnost budovy Ep=178 GJ/rok=49,5 MWh. Naměřená spotřeba veškeré el. energie 21MWh = 75 GJ/rok
Skutečná spotřeba energie 19 kWh/m2a V této hodnotě je zahrnut mimo běžnou spotřebu a osvětlení i provoz kuchyně, sauny, keramické pece.
Výhody energeticky pasivní montované dřevostavby pro mateřskou školu 1. 2. 3.
4.
5. 6.
Rychlost výstavby - zrealizováno za 6 měsíců Vysoká garance ceny – dodavatel si zpracovává výrobní dokumentaci z níž je cena přesně spočítána Přesnost stavby - výměry místností přesně odpovídají projektu a lze tak bezpečně splnit veškeré normové požadavky na osvětlení, plochu na dítě atd. Energetická úspornost – u dřevostavby lze dosáhnout parametrů pasivní stavby ekonomičtěji a snáze se řeší konstrukční detaily. Image progresivní stavby z ekologických materiálů, příjemné vnitřní prostředí, teplé povrchy stěn Architektonické řešení – dřevěná konstrukce umožňuje realizovat elegantní a subtilní detaily stavby
Fotogalerie-interiér školky
Chodba u tříd
Vstupní hala
Zkušenosti z přípravy a realizace pasivních dřevostaveb Nedůvěra k systémům nuceného větrání ze strany hygienické stanice a stavebního úřadu. Časté změny legislativy např.změna požárních předpisů v průběhu přípravy - aktuální stav není pro dřevostavbu příznivý. Dimenzování základů – u mnoha dřevostaveb odpovídají dimenze základů těžkým stavbám a bohužel není dosahováno výraznější úspory. Nákladná otopná soustava školky - i přes úsporný návrh musí být dimenzována na extrémní venkovní teploty – vzhledem k hygienickým požadavkům na MŠ není možné ani dočasné snížení vnitřních teplot (což je u RD přípustné). Velká rychlost výstavby klade mimořádné nároky na koordinaci stavby, jednotlivých subdodávek a zejména u technologií TZB. Dřevostavby jsou příliš podobné silikátovým stavbám, estetický a funkční potenciál dřeva je zbytečně potlačen (zejména z požárních důvodů).
