SANACE PANELOVÉHO DOMU S DŮRAZEM NA SNIŽOVÁNÍ PROVOZNÍ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI – PŘÍPADOVÁ STUDIE Martin Vonka1 1
ČVUT, Fakulta stavební, Katedra pozemních staveb, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Česká republika,
[email protected]
The main goal of the presented case study is to verify possibilities of reduction of environmental impact of one apartment building in the Czech Republic. It has been chosen a precasted building from the year 1985 typically built in this time in the Czech Republic for the presented case study. There were suggested 3 scenarious of the refurbishment in the way of reduction of operating primary energy in the future. Scenario A includes current standard reduction of heat use (heat use after refurbishment is 94.2 kWh/(m2a)). In the case of scenario B there was proposed refurbishment to the level of low-energy house (heat use 73.6 kWh/(m2a)). Scenario C represents the refurbishment practice from the construction of passive houses (heat use 35.9 kWh/(m2a)).
1 Úvod Obecně se odhaduje [1], že budovy ve vyspělých zemích spotřebovávají kolem 40% veškeré energie - s odpovídající produkcí škodlivin (emise CO2, SO2, NOx, …). Za stavebním průmyslem a vlastní výstavbou staveb stojí nejen spotřeba primární neobnovitelné energie, ale i čerpání zdrojů surovin (neobnovitelných i obnovitelných), produkce odpadů, spotřeba vody a další. Vyčíslením těchto (a jiných) kritérií v průběhu celého životního cyklu budovy lze stanovit míru poškozování životního prostředí a určit možný potenciál redukce tohoto poškození. Jednou z metod vyvíjených za účelem regulace a snižování dopadů produktů lidské činnosti na životní prostředí je hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment (LCA). Metodika LCA je v obecné rovině (zaměřené na libovolný produkt lidské činnosti) popsána v souboru mezinárodních norem ISO 14040-49 [2]. Vzhledem k rozsahu stavební činnosti a tím i významu environmentálních dopadů způsobených touto činností a jejími produkty (budovami) je pro celkové snižování environmentálních vlivů velmi důležitá aplikace uvedené metodologie do oblasti hodnocení environmentálních dopadů budov v rámci celého životního cyklu. Dosud neexistuje jednotná metoda pro hodnocení životního cyklu výrobků (konstrukcí, staveb apod.). Na základě metodologie definované ve výše zmíněném souboru norem byla vyvinuta celá řada výpočetních modelů a softwarových nástrojů, které se liší cílem a rozsahem analýzy, stanovením rozlišovací úrovně a podrobností systémového modelu např. lze jmenovat nástroje ATHENA, GEMIS, apod.
2 Případová studie bytového domu 2.1 Panelový dům T06 B Pro přiblížení metodiky LCA je v tomto příspěvku uvedena studie panelového domu T06 B z roku 1985 (Obr. 1), základní geometrické a jiné charakteristiky jsou shrnuty v Tab. 1. Bytový dům obsahuje celkem 14 bytů s přibližně 45ti obyvateli.
Obr.1 Analyzovaný panelový objekt T06 B Fig. 1 Analyzed building – the construction system T06 B charakteristika
m.j.
zastavěná plocha
m2
409
užitná plocha
m2
1 465
z toho plocha balkónů a lodžií užitná plocha vytápěná obestavěný prostor
m2 m2 m3
47,7 1 065 5 120
obestavěný prostor vytápěný
m3
3 480
Tab.1 Geometrické charakteristiky panelového domu T06 B Tab.1 Geometric characteristics of panel building
2.2 Environmentální parametry objektu „Environmentální“ historie objektu lze shrnout do následujících bodů: (a) v letech 1984-1985 proběhla realizace objektu (stručný popis konstrukcí: základové konstrukce - monolitické betonové pasy, na nich prefabrikované základové prahy, svislé nosné konstrukce - železobetonové panely výšky 2640-2660 mm, tl. 140 mm, vodorovné nosné konstrukce - železobetonové stropní panely tl. 120 mm, světlý rozpon 3460 mm, konstrukce schodiště - prefabrikované dvouramenné schodiště, obvodový plášť velkoplošné sendvičové panely, vnitřní železobetonová stěna tl. 130 mm + polystyrén tl. 60 mm + venkovní fasádní železobetonová deska tl. 70 mm, střešní konstrukce - střecha plochá, jednoplášťová, hydroizolace asfaltové pásy, otvorové výplně - zdvojená okna, dřevěný rám, příčky - panely z prostého betonu tl. 80 mm, konstrukce podlah - 20 mm polystyrén, 35 mm roznášecí betonová nášlapná vrstva + nulová podlaha (toto souvrství je kompletizováno v nosném stropním panelu), povrchové úpravy - vnější povrch vymývaná teracová omítka, vnitřní úpravy štuková omítka, podružné místnosti pačok cementovým mlékem, vápenný pačok, cementová hlazená omítka, TZB - otopná soustava teplovodní s článkovými radiátory, kotelna na zemní plyn, rozvody zemního plynu ocelové do všech bytů, kanalizace PVC, vodovod PVC), (b) na počátku 90. let se snížila konečná spotřeba energie (energie na vstupu do budovy) o 5% (jako důsledek postupného zvyšování cen energií, zavedení poměrového měření – motivace obyvatel šetřit energií, apod.) (c) v roce 2000 byly zatepleny štíty (kontaktní zateplení polystyrénem tl. 60 mm a obklad fasádními deskami z plastu). Energetické bilance jednotlivých dosavadních etap životního cyklu jsou shrnuty v Tab. 2.
parametr
m.j.
potřeba tepla na vytápění
kWh
realizace 1985 2
měrná potřeba tepla na vytápění
kWh/(m a)
konečná spotřeba provozní energie
kWh
měrná konečná spotřeba provozní energie
2
kWh/(m a)
spotřeba provozní primární energie
kWh
měrná spotřeba provozní primární energie
2
kWh/(m a)
1992
2000
178 800
171 650
152 770
168
161
144
324 980
308 730
285 130
305
290
268
552 479
513 367
477 964
519
482
449
Tab. 2 Energetická bilance panelového domu od realizace po současnost Tab. 2 Energy consumption of building (from 1985 till present) Konečnou spotřebou provozní energie je míněna celková energie na vstupu do budovy, spotřeba provozní primární energie (z neobnovitelných zdrojů) se získá následovně: množství potřebné primární energie se získá vynásobením konečné energie konverzním faktorem uvažovaným podle Tab. 3 (tzn., že primární energie vyjadřuje kolik energie z neobnovitelných zdrojů se spotřebuje na to, aby se pokrylo potřebné množství energie v místě spotřeby). palivo
konverzní faktor
zemní plyn
1,5
elektrická energie (mix v ČR)
3,6
pelety, biomasa
0,1
Tab. 3 Konverzní faktory pro jednotlivé druhy paliv použité v této studii - zdroj GEMIS (www.oeko.de) Tab. 3 Conversion factor for the fuels – source GEMIS (www.oeko.de)
2.3 Scénáře budoucího vývoje objektu Další vývoj budovy během životního cyklu, který je prakticky špatně předvídatelný, byl v této studii předpokládán ve třech strategiích (zaměřených na snižování energetické náročnosti budovy): Scénář A - tepelně-technická sanace dle současných standardů: kontaktní zateplení zbylých stěn polystyrénem tl. 80 mm, tepelně-technická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (ponechání stávající skladby, zateplení pěnovým polystyrénem tl. 120 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní – plastová okna Uw=1,40 W/(m2K), rekonstrukce kotelny (nový zdroj na zemní plyn - zvýšení průměrné roční účinnosti přeměny energie na cca 92%), zavedení regulace podle venkovní i vnitřní teploty), Scénář B - tepelně-technická sanace se snahou výrazněji zredukovat spotřebu tepla na vytápění: kontaktní zateplení všech stěn minerálním vláknem tl. 140 mm (stávající zateplení štítů se odstraní), tepelně-technická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (odstranění všech stávajících vrstev a vytvoření nové skladby s minerální vlnou tl. 200 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní – dřevěné rámy s izolační vrstvou z pěnového polyuretanu zasklené dvojsklem (výplň vzácným plynem) - Uw=1,0 W/(m2K), větrání zůstává přirozené, rekonstrukce kotelny a otopné soustavy (nový zdroj na zemní plyn – kondenzační kotle - zvýšení průměrné roční účinnosti přeměny energie na cca 102%), zavedení regulace podle venkovní i vnitřní teploty – termoregulační ventily), Scénář C - sanace s využitím praxe z výstavby pasivních domů: (tento scénář však nutně neznamená snížení potřeby tepla na vytápění pod hranici 15 kWh/(m2a), předpokládá se i změna systémové hranice objektu – v části 1. NP se nachází nevytápěné prostory, které
je nanejvýš vhodné sloučit s vytápěnými prostory např. pro vytvoření kompaktního tvaru budovy a vyhnutí se problémům s tepelnými mosty) - kontaktní zateplení všech stěn minerálním vláknem tl. 220 mm, zateplení detailů navazujících konstrukcí tl. 50 mm (ostění, nadpraží, …), zateplení soklů extrudovaným polystyrénem tl. 120 mm, tepelnětechnická sanace střechy a souvisejících konstrukcí (odstranění všech stávajících vrstev a vytvoření nové skladby s minerální vlnou tl. 350 mm, zateplení atiky tl. 50 mm), výměna otvorových výplní – dřevěné rámy s izolační vrstvou z pěnového polyuretanu zasklené trojsklem (s pokovením + výplň vzácným plynem) - Uw=0,8 W/(m2K), zateplení podlahy na terénu (stávající podlahové souvrství bude odstraněno) deskami z minerálních vláken tl. 100 mm, zateplení lodžiových panelů a uzavření lodžiového prostoru předsazenou prosklenou stěnou, odstranění stávajících balkónů a nahrazení zcela oddělenou představěnou konstrukcí (paralamy), instalace mechanického větracího systému s rekuperací tepla, zdroj tepla – kotel na biomasu, ½ potřeby TUV kryto solárními kolektory, v domácnostech zavedeny energeticky úsporné spotřebiče (předpokládá se snížení spotřeby elektrické energie o 50%). Energetické bilance jednotlivých navržených scénářů jsou shrnuty v Tab. 4. parametr potřeba tepla na vytápění měrná potřeba tepla na vytápění konečná spotřeba provozní energie měrná konečná spotřeba provozní energie spotřeba provozní primární energie z neobnovitelných zdrojů měrná spotřeba provozní primární energie z neobnovitelných zdrojů spotřeba provozní primární energie celkem (energie z obnovitelných + neobnovitelných zdrojů) měrná spotřeba provozní primární energie celkem (energie z obnovitelných + neobnovitelných zdrojů)
m.j.
scénář A
scénář B
scénář C
kWh kWh/(m2a) kWh kWh/(m2a)
100 334 94 195 692 184
78 384 74 158 556 149
38 224 36 95 747 90
kWh
343 814
288 111
68 923
323
271
65
343 814
288 111
140 235
323
271
132
kWh/(m2a) kWh kWh/(m2a)
Tab. 4 Energetické bilance panelového domu dle uvedených scénářů Tab. 4 Energy consumption of building for the scenarios 2.4 Vyčíslení environmentálních dopadů scénářů Pro všechny strategie byl vyčíslen tok materiálů, energie a emisí CO2 a SO2 při sanaci (Tab. 5) a dále pak spotřeba, resp. redukce primární energie (svázaná spotřeba energie + provozní energie), emisí CO2 a SO2 během životního cyklu – graficky je znázorněna pouze spotřeba primární energie (Obr. 2), ostatní parametry (emise CO2 a SO2, apod.) jsou vyčísleny v Tab. 6. m.j.
původní stav
2000
2004 scénář A
scénář B
scénář C
objem použitých materiálů
3
m
1 499
hmotnost použitých materiálů
kg
3 047 276
svázaná spotřeba energie
GJ
3 692
3 806
4 717
4 412
4 800
svázané emise CO2
kg
412 939
417 458
450 037
457 256
491 192
svázané emise SO2
kg
1 700
1 733
1 946
1 896
2 051
1 513
1 623
1 726
1 939
3 051 999 3 078 376 3 084 839 3 171 247
Tab. 5 Absolutní hodnoty environmentálních kritérií Tab. 5 Evaluation of environmental criterions
120 A B C
100 80 60
vztaženo k roku 1985 100% 90%
vztaženo k roku 2004 100% 84%
53%
21%
40 20 2050
2045
2040
2035
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2000
1995
1990
0 1985
primární energie z neobn. zdrojů [TJ]
Pozn.: Na první pohled paradoxní vyšší navýšení svázané spotřeby energie u scénáře A oproti scénáři B je způsobeno použitím expandovaného polystyrenu na zateplení, jehož výroba je více energeticky náročnější, než v případě tepelné izolace z minerálních vláken.
Obr. 2 Kumulované hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů energie v průběhu životního cyklu Fig. 2 Primary energy consumption during life cycle (energy from nonrenewable sources) 2003 -
rok 2050 scénář A scénář B scénář C
parametr
m.j.
spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů
TJ
39,4
98,5
88,8
52,1
emise CO2 (provozní + svázaná produkce)
tuny
1 931
4 520
4 163
2 440
emise SO2 (provozní + svázaná produkce)
tuny
7,7
21,3
21,3
15,7
Tab. 6 Kumulované hodnoty (od roku 1985) environmentálních parametrů ve vybraných letech Tab. 6 Evaluation of environmental criterions in picked years Z předchozího grafu a tabulky je zřejmá především významná redukce sledovaných hodnot kritérií u scénáře C, např. oproti scénáři A vykazuje redukci spotřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů o 79% (viz Obr. 2). Zajímavým bodem je environmentální návratnost jednotlivých scénářů – např. sanace dle scénáře C způsobila navýšení svázané spotřeby energie o 994 GJ, ale naopak snížení spotřeby primární energie o 1216 GJ/rok, tj. návratnost menší než jeden rok (viz Tab. 7). kritérium spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů emise CO2 emise SO2 Tab. 7 Environmentální návratnost Tab. 7 Environmental payback
návratnost scénář A scénář B scénář C 1,9
0,9
0,7
1,8 2363 1)
1,6 1278 1)
1,3 2,6
1)
v těchto případech je návratnost velmi dlouhá, a to z důvodu, že sanace těchto dvou scénářů postihuje pouze spotřebu energie na vytápění a přípravu TUV, přičemž energetické médium zemní plyn vykazuje při spalování velmi malé množství emisí SO2 (blízké nule). Na Obr. 3 lze přehledně odečíst dvojice základních environmentálních parametrů objektu během jednotlivých etap životního cyklu – (a) provozní primární energie a svázaná spotřeba energie, (b) provozní emise CO2 a svázaná produkce CO2 a (c) provozní emise SO2 a svázaná produkce SO2.
EMISE CO2 80
1985 1992 2000
1,5
2004-A 1,0
2004-B
0,5
2004-C
provozní emise CO2 [kg/(m2a)]
spotřeba provozní primární energie z neobn. zdrojů [GJ/(m2a)]
PRIMÁRNÍ ENERGIE 2,0
1985 1992
2000
60
2004-A 2004-B
40
20
2004-C 0
0,0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
0
100
200
300
400
500
svázané emise CO2 [kg/m2]
svázaná spotřeba energie [GJ/m2]
EMISE SO2 provozní emise SO2 [kg/(m2a)]
0,4
1985 0,3
1992 2000
2004-A 2004-B
0,2
2004-C 0,1
0,0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
svázané emise SO2 [kg/m2]
Obr. 3 Environmentální kritéria objektu během jednotlivých etap životního cyklu (vztaženo na 1 m2 vytápěné plochy) Fig. 3 Environmental criterions of building during life cycle (related to 1 m2 of heated floor area)
3 Závěr Tato studie měla přispět k ukázkám praktického použití metody LCA a zároveň ukázat, že snižování spotřeby provozní primární energie u objektů (nejen pro bydlení) lze dosahovat za relativně malých energetických a materiálových nároků. Cesta ke snižování energetické náročnosti je cestou nejen k nezávislosti na vnějších energetických zdrojích, ale i cestou k udržitelnému rozvoji.
4 Poděkování Výsledky prezentované v příspěvku byly vypracovány za podpory grantu GAČR 103/03/H089 „Udržitelná výstavba budov a udržitelný rozvoj sídel“.
5 Literatura [1] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, český překlad CIB Report 237, ČVUT v Praze, 2001, ISBN 80-01-02467-9 [2] ČSN EN ISO 14040-14049: Environmentální management – Posuzování životního cyklu. Praha, ČNI, 1998-2001
[3] Hájek, P., Tywoniak, J.: Udržitelná výstavba budov, Stavební listy 12-13/2002, odborná příloha [4] Hájek, P. a kolektiv: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj, 4. etapa: Technické vývojové trendy ve výstavbě budov v ČR s ohledem na požadavky udržitelné výstavy – závěrečná zpráva, zpráva pro MPO ČR, ČVUT Praha 2003 [5] Hájek, P. a kolektiv: Pozemní stavby a udržitelný rozvoj, 3. etapa: Ověření principů udržitelné výstavby na dvou demonstračních návrzích bytových staveb – závěrečná zpráva, zpráva pro MPO ČR, ČVUT Praha 2002 [6] www.substance.cz – informační systém o udržitelné výstavbě
