1/47
Hodnocení energetické náročnosti z pohledu primární energie - souvislosti s KVET Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze
2/47
Hodnocení energetické náročnosti budov
potřeby energie budovy
vytápění
chlazení
příprava teplé vody
větrání
úprava vlhkosti
osvětlení
pomocná energie
3/47
Bilance dodané energie (vytápění) potřeba tepla
dodaná energie
účinnost sdílení
účinnost rozvodů
účinnost zdroje
regulace setrvačnost
tepelné ztráty
provozní
energonositelé (plyn, dálkové teplo, elektřina, ...)
provozní účinnost technických systémů
4/47
Bilance primární energie
5/47
Termíny
dodaná energie (delivered energy)
energie, vyjádřená po energonositelích, dodaná do technického zařízení budovy přes systémovou hranici, k zajištění předpokládaného užívání (vytápění, chlazení, větrání, příprava teplé vody, osvětlení, spotřebiče apod.) nebo k výrobě elektřiny vypočtená spotřeba energie + pomocná energie po energonositelích v ČR se obnovitelná energie vyrobená v místě započítává do dodané energie příklad - tepelné čerpadlo: součástí dodané energie je i energie okolního prostředí
6/47
Termíny
vydaná energie (exported energy)
energie, vyjádřená po energonositelích, dodaná soustavami technického zařízení budovy přes systémovou hranici a užívaná vně systémové hranice
výroba elektřiny z kogenerace v budově
výroba elektřiny z OZE na budově, např. fotovoltaika
výroba tepla předaného do nadřazené sítě, např. přebytky ze solární soustavy
7/47
Termíny
primární energie (primary energy)
energie, která nebyla předmětem žádného konverzního nebo transformačního procesu
primární energie zahrnuje energii z neobnovitelných zdrojů a obnovitelnou energii - berou-li se v úvahu obě, pak se používá název celková primární energie energie užitá k výrobě energie dodané do budovy hodnocení primární energie umožňuje jednoduché sčítání různých druhů energií, např. tepelné a elektrické vypočítá z dodaného a vydaného množství energie energonositele užitím faktorů primární energie (konverzní faktory přeměny)
8/47
Hodnocení energetické náročnosti budov
potřeba uživatelů
dodaná energie do budovy
bilance primární energie
9/47
Hodnocení energetické náročnosti budov paliva konverze na energonositele
technické systémy účinnosti
požadavky
10/47
Primární energie
neobnovitelná
fosilní paliva
jaderná energie
obnovitelná
sluneční záření
větrná energie
energie prostředí
biomasa
... co je primární energie v případě OZE? původem vše sluneční energie ...
11/47
Primární energie
při hodnocení energetické náročnosti se jedná logicky o bilancování a hodnocení primární neobnovitelné energie
vliv na životní prostředí
emise CO2
použití obnovitelných zdrojů energie snižuje potřebu neobnovitelné primární energie
12/47
Faktory primární energie
celkový faktor primární energie
konverzní faktory představují všechny náklady na dodávku do místo užití (výroba mimo systémovou hranici budovy, doprava, těžba).
proto konverzní faktor primární energie vždy překračuje hodnotu 1
faktor neobnovitelné primární energie
konverzní faktory představují navýšení energie dodávané na místo použití, ale z primární energie jsou vyloučené složky obnovitelné energie to může vést ke konverznímu faktoru nižšímu než jedna pro obnovitelné zdroje energie i OZE mohou mít potřebu primární neobnovitelné energie, např. výroba pelet, těžba biomasy, apod.
13/47
Výpočet potřeby primární energie
faktor neobnovitelné primární energie
pro daný energonositel, neobnovitelná primární energie dělená dodanou energií
neobnovitelná energie je ta, která se požaduje pro dodávku jedné jednotky dodané energie při započítání neobnovitelné energie potřebné na těžbu, zpracování, uskladnění, dopravu, výrobu, transformaci, šíření, rozvedení a jakékoliv další operace nutné k dodávce do budovy, ve které se dodaná energie využije primární energie obsahuje ztráty celého energetického řetězce včetně takových, které jsou umístěné mimo systémové hranice budovy tyto ztráty (a možné zisky) se zahrnují do faktoru primární energie
14/47
Faktory primární energie (EN 15603)
musí zahrnovat
energii na těžbu primárního energonositele;
energii na dopravu energonositele od místa výroby po místo využití;
energii na zpracování, uskladnění, výrobu, šíření, rozvedení a na všechny jiné úkony potřebné na dodávku do budovy, ve které se dodaná energie spotřebuje
mohou zahrnovat
energii na výstavbu transformačních jednotek;
energii na výstavbu dopravních systémů;
energii na vyčistění a odstranění odpadů.
15/47
Faktory neobnovitelné prim. energie F
Zdroj
F [kWh/kWh]
Zemní plyn, černé uhlí, hnědé uhlí
1,1
Propan-butan, LPG, topný olej
1,2
Elektrická energie
3,0
Dřevo, ostatní biomasa
0,1
Dřevěné peletky
0,2
Energie okolní prostředí (elektřina, teplo)
0
Elektřina – dodávka mimo budovu
-3,0
Teplo – dodávka mimo budovu
-1,0
Soustava zásobování teplem s podílem OZE < 50 %
1,0
Soustava zásobování teplem s podílem OZE mezi 50 % a 80 %
0,3
Soustava zásobování teplem s podílem OZE > 50 %
0,1
vyhláška 78/2013 Sb.
16/47
Výpočet potřeby primární energie
faktor neobnovitelné primární energie
potřeba spolehlivých statistik (GEMIS v ČR), pravidelně aktualizovaných (3 až 5 let)
nejednotný přístup v Evropě
lokální odlišnosti podle energetického mixu
každý stát má svou metodu, může si rozhodnout jak započte
OZE jadernou energii síťové ztráty na straně primárního paliva síťové ztráty na straně energonositele
17/47
Faktory pro elektrickou energii v Evropě
FR
DE
NL
PL
ES
SE
UK
% RE
12.8
10.3
4.2
2.7
22.3
50.2
4.7
FE
2.58
2.60
2.56
3.00
2.60
2.00
2.92
3,5
F [kWh/kWh]
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
10
20
30 RE [%]
40
50
60
18/47
Faktory pro elektrickou energii v Evropě
většina EU států používá faktor FE = 2.6
s rostoucím podílem OZE v mixu evropských zemí
v roce 2020: předpoklad FE = 2,0
dopady?
nízké hodnoty FE budou stimulovat přechod od spalování fosilních paliv na vytápění elektřinou
nízké hodnoty FE nebudou stimulovat přechod na efektivní spotřebiče
nízké hodnoty FE nebudou stimulovat přechod na lokální OZE
19/47
Faktory primární energie
ČSN EN 15603
s cílem ovlivnit energetické chování obyvatel, se mohou použít politické faktory primární energie na podporu nebo penalizaci některých energonositelů
příklad
problém se zimními špičkami elektrických přímotopů, nápor na elektrickou rozvodnou síť problém s letními špičkami elektrických chladicích zařízení, nápor na elektrickou rozvodnou síť faktor primární energie pro elektrickou energii (bez ohledu na účinnost výroby a energetický mix) se potom zvolí vysoký
20/47
Faktor využití primární energie PER souhrnné kritérium náročnost zařízení / soustavy na primární energii poměr mezi energií dodanou pro krytí potřeb energie Q a potřebou primární energie PE
Q h PER PE F h je provozní účinnost celé soustavy, vztažená k energetickému obsahu paliv
21/47
Faktor využití primární energie
22/47
Příklady PER pro různé zdroje tepla F
h
PER
[-]
[-]
[-]
Elektrický kotel / elektřina
3,00
1,00
0,33
Tepelné čerpadlo A/W / elektřina
3,00
2,90
0,97
Tepelné čerpadlo B/W / elektřina
3,00
3,70
1,23
Plynový kotel běžný / zemní plyn
1,10
0,75
0,68
Plynový kotel kondenzační / zemní plyn
1,10
0,93
0,85
Kotel na pelety / dřevní pelety
0,20
0,80
4,00
Solární tepelná soustava / sluneční energie
0,00
1,00
∞
Zdroj tepla / energonositel
23/47
Bilance primární energie pro budovu
Edod Eexp
PE Edod Fdod,i Eexp Fexp,i i
Fdod,i se nemusí rovnat Fexp,i
nadřazená síť
24/47
Bilance primární energie pro budovu
3000 x 3.0
Bilance síťové EE 3000 kWh/rok
Bilance PE 9000 kWh/rok
potřeba domu EE: 3000 kWh/rok
25/47
Bilance primární energie pro budovu produkce 1000 kWh/rok
2000 x 3.0
1000 x0
Bilance síťové EE 2000 kWh/rok
Bilance PE 6000 kWh/rok
potřeba domu EE: 3000 kWh/rok
26/47
Bilance primární energie pro budovu 1000 x -3.0 2000 x 3.0
produkce 2000 kWh/rok
1000 x0
Bilance síťové EE 2000 kWh/rok
Bilance PE 3000 kWh/rok
potřeba domu EE: 3000 kWh/rok
27/47
Bilance primární energie pro budovu 3000 x -3.0 2000 x 3.0
produkce 4000 kWh/rok
1000 x0
Bilance síťové EE 2000 kWh/rok
Bilance PE -3000 kWh/rok
potřeba domu EE: 3000 kWh/rok
28/47
Bilance primární energie pro budovu 1000 x -3.0 0 x 3.0
produkce 4000 kWh/rok
3000 x0
Bilance síťové EE 0 kWh/rok
Bilance PE -3000 kWh/rok
potřeba domu EE: 3000 kWh/rok
29/47
Příklad pro RD rodinný dům v pasivním standardu vytápěná plocha 150 m2
potřeba tepla vytápění
3000 kWh/rok
potřeba tepla teplá voda
3000 kWh/rok
celková dodaná energie
6600 kWh/rok
pomocná energie (elektřina)
300 kWh/rok
30/47
Varianty elektrokotel plynový kondenzační kotel tepelné čerpadlo kotel na pelety elektrokotel + solární soustava pro ohřev vody plynový kondenzační kotel + solární soustava pro ohřev vody
31/47
Bilance primární energie pro budovu F
h
[-]
[-]
Elektrický kotel / elektřina
3,00
1,00
Tepelné čerpadlo / elektřina
3,00
2,90
Plynový kotel kondenzační / zemní plyn
1,10
0,93
Kotel na pelety / dřevní pelety
0,20
0,80
Solární tepelná soustava 5 m2
0
Zdroj tepla / energonositel
2000 1,00 kWh/rok
32/47
Bilance primární energie pro RD
33/47
Pasivní domy (ČSN 73 0540-2)
PHPP: měrná potřeba primární energie 120 kWh/m2.a včetně potřeby uživatelské elektřiny (běžně < 60 kWh/m2.a)
34/47
Téměř nulové domy (ČSN 73 0540-2)
Neobytné budovy
Obytné budovy
Závaznost kriteria
Nulový Blízký nulovému
Požadovaná hodnota
Doporučená hodnota
Průměrný součinitel prostupu tepla Uem [W/(m2K)]
Měrná potřeba tepla na vytápění [kWh/(m2a)]
Rodinné domy ≤ 0,25 Bytové domy ≤ 0,35
Nulový Blízký nulovému
≤ 0,35
Požadovaná hodnota podle zvolené úrovně hodnocení Měrná primární energie [kWh/(m2a)] Úroveň A
Úroveň B
0
0
80
30
0
0
120
90
Rodinné domy ≤ 20 Bytové domy≤ 15
≤ 30
úroveň A: vytápění, teplá voda, pomocná energie, uživatelská energie
úroveň B: vytápění, teplá voda, pomocná energie
35/47
Bilance primární energie pro RD
60 kWh/m2.rok
36/47
Bilance primární energie pro RD 0 kWh/m2.rok 69 m2 FV 29 m2 FV 35 m2 FV
30 kWh/m2.rok
9 m2 FV 26 m2 FV 21 m2 FV 49 m2 FV 21 m2 FV
FE,exp = -3.0
FV produkce 100 kWh/m2
37/47
Koncepce nulového domu x podpora FV?
Edod nadřazená síť
Eexp
PE E dod E exp Fi i
od 2014: zastavení podpory FV systémů
38/47
Faktory primární energie pro CZT teplárna – zdroj tepla
hodnocená budova
energonositel dálkové teplo jaký je konverzní faktor – faktor primární energie? pro energonositel na vstupu do budovy
EN 15316-4-5
39/47
Faktory primární energie pro CZT el. síť
teplárna (KVET) palivo
kogenerace QKVET EKVET
elektřina
teplo výtopna (VYT) palivo
kotel QVYT
odběr (CZT) předávací stanice (PS)
40/47
Faktory primární energie pro CZT výkon [MW]
příklad:
3 kogenerační jednotky
QVYT
1 špičkový plynový kotel s modulací
PK KJ3 KJ2 KJ1
QKVET čas [h]
41/47
Výpočet na základě měření el. síť
teplárna (KVET) PKVET
kogenerace QKVET EKVET
EKVET
SQp,j výtopna (VYT)
PVYT
kotel QVYT
konverzní faktory paliva FP,i
Qp,j
konverzní faktor elektřiny FE
42/47
Výpočet na základě měření
známy za uvažované období
vstupy paliv do výtopen a zdrojů KVET
Pi
faktory primární energie palivových vstupů
FP,i
výroba elektřiny v KVET
EKVET
faktor primární energie pro elektřinu v síti
FE
spotřeba tepla v CZT (měřeno na PS)
SQp,j
faktor primární energie pro energonositel - teplo
Pi FP ,i EKVET FE FQ i Qp , j j
43/47
Výpočet na základě parametrů zařízení el. síť
teplárna (KVET) PKVET
kogenerace QKVET EKVET s, b, hKVET
EKVET
SQp,j výtopna (VYT)
PVYT
kotel QVYT
hVYT
konverzní faktory paliva FP,i
hCZT Qp,j
konverzní faktor elektřiny FE
44/47
Kogenerační zařízení
parametry
celková účinnost kogeneračního zdroje hKVET závisí na zařízení
QKVET EKVET PKVET
teplárenský modul závisí na zařízení
EKVET s QKVET
roční teplárenský součinitel závisí na dimenzování
b
QKVET QKVET QCZT QKVET QVYT
45/47
Výtopna – kotle - CZT
parametry
celková účinnost výtopny - kotlů závisí na zařízení účinnost rozvodu CZT závisí na izolační třídě
h VYT
hCZT
Q VYT PVYT
Qp QCZT
Qp,j j
QCZT
46/47
Příprava výpočtu výtopna (doplňkový zdroj)
QVYT (1 b ) QCZT
QCZT
Qp,j j
hCZT
kogenerace
QKVET b QCZT EKVET s QKVET
PVYT
QVYT
h VYT
PKVET
QKVET EKVET
hKVET
47/47
Výpočet
bilance FQ Qp FE EKVET FP,KVET PKVET FP,VYT PVYT FQ
(1 s ) b (1 b ) s b FP,KVET FP,VYT FE hCZT hKVET hCZT h VYT hCZT
