Hodnocení energetické náročnosti administrativní budovy Nordica Ostrava

Ukázková stavba bude reprezentována právě vznikající administrativní budovou Nordica Ostrava, která jako první v České republice získala ocenění GreenBuilding (viz informace v časopise Stavebnictví č. 11-12/2008). Generálním dodavatelem budovy Nordica Ostrava je Skanska CZ a.s. a investorem je Skanska Property Czech Republic, s.r.o. Označení GreenBuilding je jedním z mnoha v současné době existujících volných způsobů hodnocení budov především z pohledu spotřeby energie.

Hodnocení ENB
Hodnocení ENB je realizováno na základě prováděcí vyhlášky k § 6a zákona č. 406/2000 Sb., v pozdějším znění - vyhlášky č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov. Zařazení budovy do třídy energetické náročnosti (dále jen EN) je provedeno na základě bilančního výpočtu ENB, který představuje stanovení roční spotřeby dodané energie do budovy. Pomocí ní bude budova zařazena do třídy EN v rozsahu A-G. Budova by celkově měla dosáhnout minimálně na třídy EN v rozsahu A-C. Třídy EN v rozsahu D-G jsou z pohledu splnění požadavku vyhlášky nevyhovující. Základním hodnoticím ukazatelem podle vyhlášky č. 148/2007 Sb. je celková měrná spotřeba energie budovy, viz příloha č. 1 vyhlášky 148/2007 Sb. - tab. 1.

¤ Tab. 1. Referenční hodnoty EPA [kWh/m2.rok] pro třídy energetické náročnosti pro administrativní budovy podle vyhlášky č. 148/2007 Sb.

Dispoziční a provozní řešení budovy
Jedná se o šestipodlažní stavbu ryze administrativní budovy s ustupujícím sedmým nadzemním podlažím a dvěma podlažími podzemními. Budova minoritně obsahuje také další provozy, zejména obchodní a stravovací, přesto je celkově hodnocena jako budova administrativní.
Stavba je atriem rozdělená do dvou shodných částí, přesahujících střední prosklené atrium. Budova je konstrukčně navržena jako dispoziční trojtrakt. Ve středním traktu jsou situována schodiště, hygienické příslušenství a technické zázemí. Pronajímatelné prostory jsou orientovány na fasády. V návrhu stavby jsou pronajímatelné kancelářské prostory řešené jako halové otevřené prostory. V suterénech je umístěno parkování vozidel. V půdorysu celé budovy jsou dvě podzemní patra. Budova je konstrukčně navržena jako železobetonový skelet se ztužujícími jádry tvořenými schodišťovými bloky. Přízemí je koncipováno jako vstupní podlaží s recepcí, kantýnou, kancelářskou plochou a prostory pro drobné doprovodné služby, ostatní nadzemní podlaží slouží jako kancelářské prostory. V suterénu budou umístěny prostory technického zázemí - strojovna vzduchotechniky, strojovna chlazení, rozvodna NN, místnost pro UPS a sklady, výměníková stanice, strojovna vzduchotechniky, strojovna sprinklerů, nádrž sprinklerů a sklady.

¤ Obr. 2. Typické podlaží stavby. Dispoziční a provozní řešení.

Podrobnosti výpočtu ENB - zónování
a standardizované užívání budovy
Hodnocení energetické náročnosti administrativní budovy Nordica Ostrava zahrnuje stanovení celkové spotřeby dodané energie za rok do budovy pomocí bilančního hodnocení za předpokladu standardizovaného užívání budovy. Účelem je stanovení dílčích hodnot ročních spotřeb energií na vytápění a větrání, na chlazení, na mechanické větrání a úpravu vlhkosti, na přípravu teplé vody, na osvětlení a spotřebu pomocné energie potřebné na provoz energetických systémů budovy. V celkové energetické bilanci nejsou zahrnuty spotřeby elektrické energie vnitřního vybavení kancelářskou technikou, apod. Vnitřní vybavení je z hlediska výpočtu ENB vnímáno v celkové energetické bilanci pouze za účelem stanovení vnitřních tepelných zisků a spotřeba elektrické energie spotřebičů není v této bilanci ve výsledku hodnocena z pohledu spotřebované energie.
Bilanční výpočet ENB vychází z okrajových podmínek uvažovaných při návrhu budovy a uvedených v projektové dokumentaci stavby, současně také respektuje podmínku pro tzv. standardizované užívání budovy. Standardizovaným užíváním budovy se rozumí provoz budovy v souladu s předpokládanými navrhovanými a požadovanými podmínkami vnitřního prostředí, venkovního prostředí a provozu budovy. Za podmínky tzv. standardizovaného užívání lze transparentně porovnat budovy pomocí srovnávacího bilančního výpočtu celkové dodané energie do budovy. V tomto případě se výpočtově předpokládá ideální provoz budovy, který závisí na ideální odezvě energetických systémů na změnu stavu budovy a jejich dokonalou interakci. Z hlediska dynamického chování budovy vůči vnějším podmínkám se předpokládá stav, který je primárně definován ve výpočtu souborem klimatických dat. Dále je třeba uvést, že budovu z hlediska výpočtu celkové dodané energie EP nelze považovat za homogenní celek. Celková dodaná energie do budovy je součtem jednotlivých dílčích spotřeb, které se mohou vyskytovat pouze v části objektu a jejich výši určují okrajové podmínky dané části budovy. Z tohoto důvodu je administrativní budova jako celek členěna do jednotlivých částí - zón, ze kterých se následně stanovuje celková dodaná energie na základě specifických spotřeb do jednotlivých níže uvedených zón. Zóny se v tomto případě navzájem odlišují svojí funkcí, provozem a vnitřními podmínkami. Podle způsobu využití vyplývají požadavky, které vytvářejí požadavky definující standardizované užívání budovy pro potřeby stanovení ENB.
Administrativní budova Nordica Ostrava byla na základě výše uvedených podmínek rozdělena do pěti různých zón podle způsobu využití a specifických podmínek charakterizujících provoz části budovy, viz obr. 3.

¤ Obr. 3. Zónování administrativní budovy Nordica Ostrava

Národní kalkulační nástroj
Každá zóna byla zadána do národního kalkulačního nástroje (NKN) s ohledem na interakci s okolními zónami s příslušnou zónou sousedící a současně je ve výpočtu pomocí výpočetního nástroje NKN charakterizována prostřednictvím tzv. standardizovaného profilu užívání zóny. Tímto způsobem jsou do výpočtu v nástroji NKN jako okrajové podmínky volány hodnoty z profilu standardizovaného profilu užívání. Přehled volaných referenčních hodnot pro standardizovaný profil je zřetelně uveden ve výpočetním nástroji NKN pomocí přehledné tabulky. V případě takovéto specifické stavby, jako je administrativní budova, je nezbytné provést celkovou kontrolu volaných vstupů do výpočtu s ohledem na koncepci budovy. Především, a u tohoto projektu tomu tak bylo, je nutné provést kontrolu a úpravu vstupů, na základě kterých se stanovuje počet osob v budově, resp. zóně, měrné vnitřní tepelné zisky z vybavení budovy, apod. Standardizované profily definované ve výpočetním nástroji jsou odvozeny ze základních požadavků a představují doporučený průměr. Nicméně nejsou schopny obecně postihnout problematiku vnitřních tepelných zisků z vybavení kanceláří a další nadstandardní požadavky vyplývající z PD. Profily standardizovaného užívání budovy pro jednotlivé zóny reprezentují hodnoty dané technickými, právními normami a v neposlední řadě parametry, které jsou předpokládány a jsou uvedené v DPS. Soubor těchto parametrů, které jsou použity pro výpočet, by měl být dokladován rámci přílohy k průkazu ENB, jako doplňující údaje. U takto specifické budovy by okrajové podmínky výpočtu měly být transparentně dokladovány.

¤ Obr. 4. Realizace administrativní budovy Nordica Ostrava

Stavebně technické řešení obálky budovy
Budova Nordica Ostrava je koncipována jako železobetonový skelet, kdy je obvodový plášť řešen pomocí železobetonových zateplených stěn s výrazným omezením průsvitných ploch. Tepelně technické vlastnosti obvodového pláště, a to jak neprůsvitných, tak průsvitných částí, jsou nad úrovní požadovanou současnými technickými normami (ČSN 73 0540-2). Celkový součinitel propustnosti slunečního záření průsvitných prvků byl diferencován v závislosti na orientaci konstrukcí a pohyboval se v rozmezí od 0,25 do 0,55 pro severní fasádu stavby. Pokud není známa hodnota celkové propustnosti solární radiace, pak se pro kolmý dopad solární radiace orientačně stanoví podle parametrů, viz ČSN EN 13790, ČSN EN 13363 nebo DIN 18599-2, případně podle podkladů výrobce zasklení. Výrobce zasklení uvádí v materiálech obyčejně parametr ggl,n, propustnost slunečního záření průsvitného prvku pro kolmý dopad solární radiace, který je ideální pro potřeby výpočtu upravit v závislosti na sklonu zasklení. Na základě zónování budovy byl vytvořen geometrický výpočetní model objektu v nástroji NKN se základním zohledněním vlivu tepelných vazeb.

¤ Obr. 5. Administrativní budova Nordica Ostrava. Noční pohled, vizualizace.

Výchozí podmínky pro výpočet ENB -
analýza energetických systémů
Energetické systémy pro administrativní budovu představují v rámci hodnocení ENB důležitou část. Skladba energetických systémů a jejich provoz významně ovlivní výsledky spotřeby celkové dodané energie do budovy. Z tohoto důvodu je nezbytná analýza projektu administrativní budovy z pohledu provozu a funkce energetických systémů a získání požadovaných vstupů potřebných pro výpočet. V níže uvedeném souhrnu lze pro tuto budovu uvést zjednodušený přehled principiálního řešení energetických systémů budovy, které - nutno podotknout - nepředstavují v rámci tohoto typu výstavby nadstandardní řešení. Naopak se jedná o konvenční řešení vyskytující se u většiny budov tohoto typu.
Zásobování budovy tepelnou energií je prostřednictvím předávací stanice o projektovaném výkonu 1,1 MW napojené na dálkový rozvod odpadního tepla. Otopný systém objektu je členěn na jednotlivé otopné větve principiálně rozdělené podle zón budovy. Příprava TV je realizována také prostřednictvím předávací stanice a je prováděna centrálně v zásobníku umístěném v primární části výměníkové stanice. Vytápění jednotlivých částí budovy bude realizováno otopnými tělesy deskovými ve vedlejších místnostech, otopnými tělesy konvektorovými v místech s nízkým parapetem nebo prosklenými stěnami, a pomocí FCU v kancelářích a komerčních plochách. Pro potřeby výpočtu bylo nutné stanovit účinnosti využití tepelné energie ve zdroji přípravy (předávací stanice s celkovou roční průměrnou účinností 95 %), pro distribuci do místa spotřeby (parametr průměrné roční účinnosti distribuce v rozsahu 80-85 %) a v neposlední řadě hodnota parametru účinnosti sdílení (emise) tepelné energie do obsluhovaného prostoru s ohledem na místní regulaci systémů a centrální regulaci (parametr v rozsahu 86 % pro otopná tělesa až 88 % pro FCU podle DIN V 18599-5) .
Chlazení budovy budou zajišťovat centrální zdroje chladu umístěné ve strojovně budovy v podobě dvou kompresorových jednotek s vodou chlazenými kondenzátory a šroubovými kompresory. Zpětné chlazení jednotek je realizováno vodou pomocí suchých chladičů umístěných na střeše. Výkon zdroje chladu je 2x478,0 kW s teplotním spádem chlazené vody 6/12 °C a 44/50 °C na zpětném chlazení. Výkon suchých chladičů zpětného chlazení se předpokládá 4x333,2 kW. Systém zpětného chlazení umožňuje také volné chlazení budovy v přechodném a zimním období. Rozvody chladu jsou standardně rozděleny na samostatné větve pro FCU a VZT. Stejně jako pro systém vytápění bylo nutné stanovit výpočtově, nebo podle souvisejících technických norem parametry dílčích účinností systému chlazení administrativní budovy. Pro zdroj chladu byla uvažována hodnota EER (COP) uvedená v příloze vyhlášky o energetické náročnosti budov, účinnost pohonu kompresoru zdroje chladu byla uvažována referenční hodnota 97 %, účinnost distribuce chladicí vody byla stanovena výpočtem v rozmezí 80-86 % v závislosti na obsluhovaném provozu. Účinnost koncových elementů sdílení chladu byla podle DIN V 18599-7 souhrnně stanovena ve výši 85 %.
Pro zajištění požadovaných mikroklimatických podmínek uvnitř budovy jsou podle charakteru využití jednotlivých prostor navržena zařízení pro teplovzdušné větrání a chlazení vstupních prostor, kantýny včetně zázemí, kancelářských ploch a pronajímatelných prostor. Podtlakově nuceně větrané jsou rovněž podzemní garáže, strojovny, rozvodny a ostatní technické prostory. Tyto jednotlivé systémy, včetně technického řešení systému, jsou zadány do výpočetního nástroje. Nezbytné je uvést poznámku týkající se hodnoty parametru účinnosti zpětného získávání tepla ηh,hr. V rámci výpočtu musí být uvedena průměrná roční hodnota účinnosti zpětného získávání tepla, v podkladech nebo v PD je vždy uvedena návrhová hodnota odpovídající maximálnímu zatížení energetického systému. Průměrná hodnota tohoto parametru je vzhledem k průměrnému ročnímu provozu pro potřeby tohoto výpočtu o 10-15 % nižší, viz DIN V 18599-5. V rámci toho výpočtu byla uvažována hodnota v rozsahu 60-65 % v závislosti na systému.
Příprava TV bude prováděna ohřevem přes deskový výměník v objektové předávací stanici s přiřazenou akumulační nádrží pro vyrovnání odběrových špiček umístěnou ve výměníkové stanici. Rozvod teplé vody se předpokládá s nucenou cirkulací. Klíčovým parametrem pro výpočet ENB je množství roční spotřeby teplé vody pro jednotlivé provozy budovy. V tomto případě nelze, a v mnoha případech tohoto výpočtu se tato chyba vyskytuje, brát referenční hodnoty odvozené od denní spotřeby uvedené v ČSN 06 0320. Hodnoty uvedené v této normě slouží k návrhu výkonových parametrů a představují maximální hodnoty - ty nelze uvažovat po celý rok provozu budovy! Průměrnou roční spotřebu teplé vody lze stanovit několika způsoby. Prvním způsobem je odvození z množství spotřeby studené vody - viz vyhláška č. 428/2001 Sb. příloha č. 12, nebo podle evropské technické normy EN 15316-3-1, případně podle referenčních hodnot uvedených v DIN V 18599-10 a DIN V 18599-8. Pro potřeby výpočtu byla uvažována vypočtená celková hodnota roční spotřeby teplé vody celého objektu ve výši 7700 m3/rok, podrobněji potom jako 5333 m3/rok na administrativní část, 2260 m3/rok na gastro provoz, 107 m3/rok na obchodní plochy. Osvětlovací soustavy v budově byly předpokládány s ohledem na splnění hygienických podmínek na osvětlenost daných prostor a standardů podle technických norem zejména EN ISO 15390. Pro jednotlivé zóny byly uvažovány průměrné hodnoty roční spotřeby energie na osvětlení pro parking 7 kWh/(m2.rok), kanceláře 23,90 kWh/(m2.rok), komunikační prostory a toalety 10,60 kWh/ (m2.rok), stravovací provoz 16,60 kWh/(m2.rok), pronajímatelné obchodní prostory 82,60 kWh/(m2.rok).

¤ Obr. 6. Pohled na střechu budovy, vizualizace

Výpočet
Na základě velmi stručně popsaného koncepčního řešení budovy, jak z pohledu stavebně-dispozičního, tak z pohledu provozu energetických systémů, byl vytvořen model budovy ve výpočetním nástroji NKN verze 2.042. Výpočetní nástroj musel být vzhledem k některým specifickým systémovým řešením po- užitým v budově upraven (např. volné chlazení v této verzi NKN nebylo možné bez zásahu do výpočetního algoritmu zohlednit, v novějších verzích NKN se předpokládá implementace tohoto systémového řešení a dalších). Vytvoření modelu budovy, analýza budovy a především jejího provozu představuje nejdůležitější část celého procesu výpočtu (cca 60-70 % objemu), v další fázi je nutné provedení ladění výpočetního modelu a zpětná kontrola mezivýpočty (cca 30 % objemu), viz komentář v úvodu k parametrům standardizovaného užívání budovy. Zbývajících 10 % objemu práce přísluší na zadání parametrů do výpočetního nástroje a export požadovaných výstupů v podobě grafického znázornění průkazu ENB a protokolu průkazu ENB.

Výsledky hodnocení budovy
V celkové bilanci představuje celková roční spotřeba dodané energie do objektu 5818,1 GJ. Výše dodané energie pro jednotlivé energetické systémy kryjící potřebu energie je uvedena v tab. 2 a podrobně pak v grafickém přehledu výsledků z výpočetního nástroje NKN, viz obr. 7.
V pohledu měrné roční spotřeby dodané energie EPA pro potřeby zařazení do třídy EN je výsledná hodnota 85,8 kWh/(m2.rok). Vliv jednotlivých subsystémů (energetických systémů budovy) na celkové zařazení objektu do třídy EN přímo závisí na výši spotřeby jednotlivých druhů energie, viz tab. 2. Nelze tedy jednotlivým systémům přikládat stejnou váhu. V tomto případě je rozložení spotřeby energií ovlivněno na základě charakteru budovy. Podíl na celkové spotřebě energie připadá téměř stejným dílem na přípravu TV, na vytápění a chlazení při předpokladu dodržení standardů požadavků na standardizované užívání budovy. Na základě dílčích spotřeb energie je budova celkově zařazena do třídy EN, která je vyznačena v grafickém znázornění průkazu energetické náročnosti budov, viz obr. 8. Na základě porovnání hodnoty energetické náročnosti hodnocené budovy EPA s energetickou náročností danou rozsahem jednotlivých energetických tříd budovou RrqMIN a RrgMAX je určena výsledná třída ENB. V případě hodnocení budovy Nordica Ostrava je objekt zařazen do třídy EN B - ÚSPORNÁ podle měrné spotřeby dodané energie ve výši 85,8 kWh/m2.

¤ Obr. 7. Roční spotřeba dodané energie do budovy

Závěr
Prezentované výsledky ukazují roční spotřebu celkové dodané energie do budovy. Jakkoliv může působit celková spotřeba dodané energie do budovy jako malá, je třeba zdůraznit skutečnost, že v celkové spotřebě energie dodané do budovy není zahrnuta spotřeba elektrické energie pro spotřebiče - počítače, kopírky, apod. V tomto případě a obecně u všech administrativních budov je tato spotřeba nezanedbatelná a v celkové bilanci by měla být uváděna. Přinejmenším z toho důvodu, že na celkové bilanci se tyto spotřebiče podílí pouze jako tepelný zdroj (tzn. budova nadstandardně vybavená spotřebiči může vlivem vnitřních tepelných zisků v extrému vykazovat nulovou spotřebu energie na vytápění, zatímco budova spotřebuje většinu elektrické energie na provoz vnitřního vybavení). Tento poznatek je třeba chápat jako poznámku a vysvětlení k vnímání výsledků některých budov. V dalších verzích NKN bude spotřeba elektrické energie spotřebiči minimálně vyjádřena orientačně v kontrolních mezivýsledcích, jelikož v průkazu ENB tento typ spotřeby není vykazován ani hodnocen.
V případě hodnocení administrativní budovy Nordica Ostrava je objekt zařazen do třídy ENB B - ÚSPORNÁ podle požadavků vyhlášky č. 148/2007 Sb. a podle měrné spotřeby dodané energie ve výši 85,8 kWh/m2. Budova Nordica Ostrava splňuje na základě projektových předpokladů minimální požadavky na hodnocení budovy podle energetické náročnosti, což reprezentuje také obdržený certifikát GreenBuilding vydaný také na základě uvedeného hodnocení ENB v tomto článku. Dalším přirozeně zajímavým srovnáním budou první provozní výsledky budovy z pohledu spotřeby energie. Je třeba podotknout, že prezentovaný výpočet předpokládá skutečnosti, které jsou zmíněny v úvodu - zejména předpoklad standardizovaného užívání budovy. Tyto skutečnosti jsou často ideálnímu reálnému provozu budovy vzdáleny a budova se jim celý svůj provozní cyklus snaží přiblížit. V prvé řadě je tomu tak v prvním roce provozu, kdy se budova tzv. provozně ladí a často se hledá ideální provozní režim budovy, který bude respektovat požadované vnitřní parametry. V každém případě je třeba uvést na závěr, že prezentované výsledky např. z výpočetního nástroje NKN nejsou obecně vzdáleny realitě, jak by mohlo z výše uvedeného vyplývat. Věrohodnost výsledků záleží nikoliv na výpočetním nástroji, který je v tomto smyslu pouze vyjadřovací prostředek pro vytvořený model budovy, ale na zadávaných vstupech a kvalitě tohoto výpočetního modelu. V případě modelu budovy pak rozhoduje především odborná způsobilost, zkušenosti a také zodpovědnost zadávající osoby, která může výsledek negativně ovlivnit.

¤ Obr. 8. Grafické znázornění průkazu ENB a vyjádření třídy EN

Poděkování
Tento příspěvek vznikl jako součást výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003.

Použitá literatura:
[1] Směrnice 2002/91/ES, o energetické náročnosti budov (EPBD)
[2] Vyhláška MPO ČR č. 148/2007 Sb., o energetické náročnosti budov
[3] Zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů
[4] Kabele, K., Urban, M., Adamovský, D., Kabrhel, M.: Energetická náročnost budov v souvislostech s platnou legislativou ČR. 1. vyd., Praha, ABF - nakladatelství ARCH, 2008, 144 s., ISBN 978-80-86905-45-7
[5] Kabele, K., Urban, M., Adamovský, D., Kabrhel, M.: Národní kalkulační nástroj NKN [počítačová aplikace]. Ver. 2.05 Praha, 2008. Dostupné z . Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov, 61 MB