Dnešný trend znižovania energetickej náročnosti výrazne ovplyvňuje aj stavebníctvo. Zabezpečenie zníženia negatívnych dopadov na životné prostredie je cieľom zmien v zákone o hospodárnosti budov, podľa ktorých musia všetky stavebné povolenia na novostavby od 1. januára 2021 spadať do energetickej triedy A0. To si vyžaduje splnenie prísnych noriem už pri samotnom projektovaní stavebnej časti budov a následné použitie vhodnej kombinácie systémov vykurovania, prípravy teplej vody, chladenia, vetrania a osvetlenia. Do popredia sa tak dostávajú vysokoúčinné zdroje tepla a obnoviteľné zdroje energií.
Energetická trieda charakterizuje dom podľa jedného globálneho ukazovateľa - primárnej energie. Záleží nielen na tom, aké množstvo tejto primárnej energie bolo dodanej, ale aj z akého zdroja pochádza. Vypočítava sa podľa jej výroby v národnom hospodárstve až po jej premenu napríklad na teplo alebo svetlo v domácnosti. Rodinné domy spravidla využívajú viacero zdrojov energie. Energetická trieda je preto súčtom čiastkových energetických tried jednotlivých miest a spôsobov spotreby energie v budove (napr. osvetlenie, vykurovanie atď.). Vyjadruje sa číselným rozpätím A až G, pričom trieda A je energeticky najúspornejšia a trieda G je najmenej úsporná.
Podľa platnej legislatívy (zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov, novelizovaný zákonom č. 300/2012 Z. z. a vyhláškou č. 364/2012 Z. z.) musia všetky rodinné domy postavené po 31. decembri 2020 spadať do energetickej triedy A0 - domy s takmer nulovou spotrebou energie. Súčasťou výpočtu energetickej triedy budovy je aj jej hodnotenie podľa potreby energie na vykurovanie, ktoré sa vyjadruje množstvom tepla v kWh/m², ktoré potrebuje stavba na vykúrenie 1 m².
Faktor tvaru budovy - kľúčový element energetickej hospodárnosti
Na celkovú bilanciu domu vplýva mnoho prvkov, ako napríklad tvar stavby, použitý stavebný materiál, izolácia, orientácia na svetové strany. Pri rozmanitosti súčasnej výstavby neexistuje paušálne pravidlo, ktoré by určilo splnenie požiadaviek energetickej hospodárnosti. Každý objekt sa musí posudzovať samostatne.
Dnes je veľký dôraz kladený na budovy s čo najlepšou energetickou hospodárnosťou. Keď sa chceme priblížiť čo najnižšej energetickej spotrebe, jedným z mnohých faktorov, ktoré na ňu majú vplyv, je tvar budovy (faktor tvaru budovy). Tento faktor sa určí ako pomer teplovýmennej plochy budovy (A) k obostavanému objemu (V) budovy.
Pre rodinný dom je ideálne, keď tento faktor dosahuje hodnotu 0,7 m⁻¹ - ako uvádza STN 73 0540-2. V podstate by sa malo jednať o snahu dosiahnuť tvar budovy s čo najmenšou plochou teplovýmenného obalu, do ktorej sa zmestí čo najväčší objem. Ideálnym geometrickým tvarom pre tieto požiadavky je guľa. Samozrejme, z typologického a funkčného hľadiska je nerentabilné stavať budovy v tvare gule.
Ideálnym riešením pri zhodnotení všetkých faktorov je realizovať budovy v tvare valca, kocky či ležatého obdĺžnika. Čím sú konštrukcie jednoduchšie, tým je teplovýmenná plocha, čiže ochladzovaný povrch, menšia. Jednoduchším tvarom budovy dokážeme eliminovať riziko vzniku nežiaducich tepelných mostov. Zníži sa faktor tvaru budovy, je menšia pravdepodobnosť, že pri realizácii dôjde k realizačnej chybe niektorého detailu a z investičného hľadiska je jednoduchší tvar budovy ekonomickejší.
Napríklad, ak si zvolíme tvar budovy podobajúci sa kocke, je predpoklad, že faktor tvaru budovy vyjde výhodnejšie ako faktor tvaru kaskádovej budovy. Dôležitá je však aj veľkosť kocky. I nepravidelný tvar budovy môže mať vyhovujúci faktor tvaru budovy. Porovnajme dve podlahovo plošne rovnaké budovy: Obe majú pôdorysnú plochu 120,5 m² a rovnaký obostavaný objem 361,5 m³. Líšia sa však vo svojom pôdorysnom tvare. Faktor tvaru prvej budovy je A/V = 406/361,5 = 1,12 m⁻¹ a faktor tvaru druhej budovy je 373,3/361,5 = 1,03 m⁻¹. Rozdiel nie je markantný, ale prvá budova má väčšiu teplovýmennú plochu, čo znamená väčšiu spotrebu energie na vykurovanie a väčšiu plochu, ktorá je ochladzovaná.
Vplyv strechy na energetickú hospodárnosť
Ďalším dôležitým faktorom je tvar strechy. Cez strechu uniká najviac tepla, a preto je výhodnejšie voliť strechu s čo najmenšou plochou. V tomto smere jednoznačne dominuje plochá strecha, ktorá má oproti valbovej streche menšiu plochu. Na Slovensku majú ploché strechy stále zlú povesť, ktorú nadobudli v minulosti, kedy boli často chybne realizované a boli používané nekvalitné materiály. V súčasnosti je však na trhu množstvo nových materiálov, ktoré majú pozitívny vplyv na funkčnosť plochej strechy a z hľadiska úspory energie sa preto stáva lídrom v oblasti striech. Otázkou však stále ostáva ľudský faktor a kvalita vyhotovenia takejto strechy. Kompromisom medzi plochou a sedlovou strechou by mohla byť pultová strecha.
Hodnota faktora tvaru budovy sa reálne odrazí na potrebe tepla na vykurovanie (kWh/(m².a)). Znižujúci sa faktor tvaru budovy zároveň znižuje aj požiadavku na potrebu tepla na vykurovanie. Od 1. januára 2016 platí odporúčaná hodnota QH,nd,r1.
Optimalizácia obvodových konštrukcií a okien
Vlastnosti transparentnej konštrukcie pri tepelnej ochrane budovy spôsobujú kvantitatívne najväčšie hustoty tepelných tokov v zimnom období a v letnom období sa môže stať hlavným zdrojom neželaných a nadmerných tepelných ziskov. Dnešné pokrokové technológie nových transparentných konštrukcií a prvkov zmenili stavebnofyzikálne vlastnosti výrazným spôsobom. Dlhé roky prakticky nemenné vlastnosti transparentných konštrukcií nadobudli progresívne optické a energetické parametre. Transparentná konštrukcia sa tak stáva architektonickým komponentom, ktorý sa nemohol v takejto kvalite používať v minulosti.
V našich klimatických podmienkach bol historicky neoficiálnym štandardom systém zasklievania na báze dvoch čírych skiel, ktoré sa používali v zdvojených alebo dvojitých oknách. Prednosti nových nízkoemisných zasklení so selektívnou vrstvou podstatne ovplyvnili nielen tepelnotechnické vlastnosti otvorovej konštrukcie, ale aj vlastnosti miestností a celej budovy, najmä ak porovnávame povrchové teploty na zasklení, tepelné straty, povrchovú kondenzáciu, tepelnú pohodu a potrebu tepla na vykurovanie.
Najdôležitejšou vlastnosťou je súčiniteľ prechodu tepla (U) v jednotkách W/(m².K). Udáva tepelný tok (tepelnú stratu v zimnom období) cez 1 m² pri jednotkovom rozdiele teplôt. Čím nižšia je táto hodnota, tým má konštrukcia lepšie tepelnoizolačné vlastnosti. Požiadavky na navrhovanie okien sa dajú zjednodušene vyjadriť týmito pravidlami: podľa ČSN 73 0540-2 sa pre nové konštrukcie požaduje U = 1,8 W/(m².K) a odporúča U = 1,2 W/(m².K).
Lineárny stratový súčiniteľ ψg vyjadruje vplyv styku zasklenia a krídla na tepelný tok. V mieste tohto styku vzniká tepelný most v dôsledku deformovaného teplotného poľa. Podľa materiálovej bázy rámovej konštrukcie sa súčiniteľ prechodu tepla (Uf) pohybuje v rozsahu od 1,6 do 4,5 W/(m².K). Tepelnoizolačná schopnosť bežných rámových konštrukcií je nižšia v porovnaní s izolačnými nízkoemisnými zaskleniami alebo nepriesvitnými konštrukciami stien. Pritom rámové konštrukcie predstavujú 20 až 30 % plochy otvorových konštrukcií.
Kombináciou rozličných tepelnotechnických vlastností komponentov okna sa dajú získať súčinitele prechodu tepla v širokom rozsahu tepelnoizolačných vlastností. Výslednú hodnotu okna ovplyvňuje pomerná plocha zasklenia a rámovej konštrukcie, geometria okna, konštrukcia okna (jednokrídlové, dvojkrídlové), počet a dĺžka priečnikov, združovanie okien, tepelnotechnické vlastnosti zasklenia, rámu a okraja zasklenia.
Dominantou transparentnej konštrukcie je sklo. Sklo sa dnes využíva na konštrukciu progresívnych nízkoemisných a selektívnych izolačných zasklení, ktorých vlastnosti sa podstatne líšia od bežného číreho dvojskla. Tradičné dvojsklo s čírymi sklami má Ug = 2,7 až 2,9 W/(m².K), čo je takmer desaťnásobne vyšší tepelný tok (tepelná strata v zimnom období) v porovnaní s efektívne izolovanými nepriesvitnými stenami (U = 0,3 W/(m².K)). Uplatnenie nízkoemisných zasklení s výplňou inertným plynom tento veľký rozdiel podstatne eliminuje.
Je určitým tepelnoizolačným paradoxom navrhovanie nových budov s nepriesvitnými obvodovými konštrukciami stien a striech so súčiniteľmi prechodu tepla U = 0,2 až 0,5 W/(m².K) a ich kombinovanie s tradičným zasklením na báze dvoch čírych skiel. Takýto prístup je nesprávny a odporuje dnešným požiadavkám noriem. Izolačné nízkoemisné dvojsklá s výplňou inertným plynom sú najefektívnejšou cestou v súčasnosti šetriť energiu potrebnú na vykurovanie. Uplatnenie týchto moderných zasklení je pritom efektívne tak v novej výstavbe, ako aj pri rekonštrukciách budov.
Ďalšie dôležité faktory pre energetickú efektívnosť
Okrem tvaru a obvodových konštrukcií na potrebu energie vplývajú aj:
- Vhodná orientácia budovy: Orientácia budovy musí byť taká, aby dopad priameho slnečného žiarenia bol využitý v čo najväčšej miere, t. j. aby zabezpečovala maximalizáciu slnečných ziskov.
- Vzduchotesná a vetruodolná konštrukcia: Vzduchotesná konštrukcia zabraňuje úniku vzduchu z budovy, vetruodolná zabraňuje prieniku vonkajšieho vzduchu.
- Riadené vetranie s rekuperáciou: Systém zabezpečí optimálnu výmenu vzduchu pri dodržaní hygienických požiadaviek a potrieb a vysokoúčinné rekuperačné výmenníky minimalizujú tepelné straty vetraním.
- Voľba a umiestnenie zdroja tepla: Z dôvodu minimalizácie tepelnej straty potrubia a tepelnej stagnácie vody v potrubí je nutné lokalizovať zdroj tepla čo najbližšie k miestu spotreby.
Systém rekuperácie pomáha zabrániť úniku tepla z budovy v dôsledku vetrania. Pri rekuperačnej jednotke s účinnosťou viac ako 80% je toto percento tepla odovzdané späť čerstvému vzduchu a dokáže tak znížiť tepelnú stratu o viac než 30%.
Energetické hodnotenie a certifikácia budov
Všetky tieto faktory (tvar strechy, pôdorysný tvar, merná potreba tepla na vykurovanie) majú vplyv na energetickú hospodárnosť budovy. Pri výstavbe novej budovy každý stavebný úrad žiada, aby súčasťou projektovej dokumentácie bolo aj projektové energetické hodnotenie budovy (EHB), kedysi známe ako tepelnotechnické posúdenie. Toto posúdenie odráža hlavne energetickú hospodárnosť budovy a je vyjadrením potreby energie na normalizovaný chod budovy (vykurovanie, prípravu teplej vody, osvetlenie, chladenie a klimatizáciu).
EHB by mal vypracovať človek, ktorý sa vyzná v danej problematike a má skúsenosti v oblasti energetickej hospodárnosti budov. Všetky navrhnuté riešenia v EHB, ktoré sa zrealizujú, sa neskôr odzrkadlia v energetickom certifikáte budov (EC), ktorý je podľa zákona povinný pri novostavbe, významnej obnove, predaji a prenajímaní budovy. Problémom býva, že mnoho projektantov navrhne riešenia, ktoré prejdú cez stavebné povolenie (EHB), ale nemusia prejsť cez kolaudačné konanie (EC), pretože nie vždy projektant navrhne opatrenia v EHB správne.
Energetická hospodárnosť budov je dnes jedna z kľúčových tém v stavebníctve. Energetická trieda A0 podľa slovenskej legislatívy sa neurčuje podľa skutočnej kvality stavby (čiže podľa toho, aké má múry, okná, strechu a tepelné mosty), ale podľa globálneho ukazovateľa primárnej energie EP,glob. Toto je optický klam, ktorý je pre bežného človeka ťažko rozpoznateľný. Trieda A0 preto nie je automatickou zárukou kvalitnej stavby.
Znižovanie tepelných strát a potreby tepla na vykurovanie
Zvyšovanie tepelnoizolačnej úrovne u nás prebieha postupne od začiatku prvej energetickej krízy v polovici 70. rokov. Požiadavky na nZEB (nearly Zero-Energy Buildings), teda budovy s takmer nulovou potrebou energie, majú širší charakter (nielen tepelnoizolačný) a vyjadrujú sa potrebou energie na vykurovanie, prípravu teplej vody, vetranie, klimatizáciu a osvetlenie. Na rozdiel od predchádzajúceho obdobia sa stalo prioritným dôvodom zlepšovania budov zmenšovanie tepelnej straty cez obvodové konštrukcie, znižovanie potreby energie na vykurovanie (chladenie) budov a využívanie obnoviteľných zdrojov energie.
Potreba tepla na vykurovanie výrazne klesá so zlepšujúcimi sa tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií. Pokles potreby tepla na vykurovanie z ultranízkoenergetickej úrovne na úroveň budov s takmer nulovou potrebou je však už menej výrazný. Potreba tepla na chladenie sa so zlepšujúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií mierne zvyšuje. Účinné tienenie však výrazne znižuje potrebu tepla na chladenie, ale najmä zabraňuje prehrievaniu v letnom období.
Concentrated Solar Thermal (CST) Plant Animation
Minimalizácia súčiniteľa prechodu tepla U je kľúčová. Pri návrhu stavebných konštrukcií a budov je potrebné splniť minimálne tepelnoizolačné vlastnosti. Hodnota súčiniteľa prechodu tepla vonkajšími otvorovými konštrukciami U by sa mala pohybovať na hodnote 0,85 W/(m².K). Z dôvodu nutnosti využitia tepelných ziskov zo slnečného žiarenia sa odporúča, aby hodnota celkovej priepustnosti slnečného žiarenia bola čo najvyššia (g > 0,5). Je potrebné zvoliť kompromis medzi vyšším solárnym ziskom a vyššou tepelnou stratou otvorovej konštrukcie.
V zmysle platnej legislatívy sa po roku 2020 stavajú už len budovy s takmer nulovou potrebou energie, čo predstavuje úplne nový fenomén z pohľadu projektovania, samotnej realizácie stavby a v neposlednom rade pri prevádzke budov. Definícia a chápanie podstaty budov s takmer nulovou potrebou energie bude vyžadovať nemálo úsilia národných inštitúcií, investorov, vlastníkov budov, architektov a projektantov.