Od ledna 2023 se budovy začaly hodnotit i podle hodinových klimatických dat. Co to znamená v praxi?
- Publikováno:
- Rubrika:
- Komentáře:
- Komentářů: 2
U všech budov a zón, v nichž se vyrábí energie, například využívají fotovoltaickou elektrárnu, se od letošního roku výpočet dodané a spotřebované energie musí dělat v intervalu jedné hodiny. Přinášíme zamyšlení nad relevancí stávajících klimatických dat a diskuzi o vhodnosti jejich zpřesnění.
Od ledna 2023 v ČR platí pro energetické hodnocení staveb celá vyhláška 264/2020 Sb., kde se v § 4 odst. 1 uvádí: „Dodaná energie je součtem vypočtené spotřeby energie a pomocné energie. Výpočet celkové dodané energie a dílčích dodaných energií se provede výpočtovou metodou s intervalem výpočtu nejvýše jednoho měsíce a po jednotlivých zónách. V budovách nebo zónách s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie se výpočet provede s intervalem nejvýše jedné hodiny.“ Výše uvedená vyhláška sice platí již od 1. září 2020, ale vzhledem k její dělené účinnosti je tučně zvýrazněná věta účinná až od letošního roku.
Zavádění povinnosti výpočtu s hodinovým výpočetním krokem
Úkoly spojené se zavedením platnosti paragrafu byly dva. Zaprvé neexistoval žádný výpočtový software, který by byl schopen spočítat energetickou náročnost budovy s hodinovým krokem. Druhým problémem pak byla neexistence klimatických dat a typických profilů užívání budov s hodinovým krokem.
Software dva komerční subjekty postupně připravily, i když se to neobešlo bez počátečních obtíží. Nové výpočetní programy začaly fungovat v průběhu letošního února či března a jejich výpočet je výrazně pomalejší, než tomu bylo u výpočtů s měsíčním krokem. Výpočty zpočátku trvaly velmi dlouho a dodnes jsou násobně delší než dříve, kdy se používal výpočet s měsíčním krokem.
Vzhledem k tomu, že v současné době je možné hodnotit budovy jak s výpočtovým krokem měsíčním, tak i hodinovým, dochází k výraznému rozptylu ve výsledcích energetického hodnocení budov.
Odborníci diskutují o vhodnosti použitých klimatických dat
Klimatická data pro hodinový krok výpočtu nechalo Ministerstvo průmyslu a obchodu (MPO) zpracovat týmem Společnosti pro techniku prostředí (STP). Výsledná publikace má název „Hodinová klimatická data a parametry typického užívání budov a zón s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie pro výpočet dodané energie a pomocné energie v souladu s § 4 odst. 1 vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov“ (dále jen publikace STP).
Publikace STP uvádí použitý postup výběru zdrojů klimatických dat. Pro tvorbu klimatických dat byla použita volně dostupná data z webu Onebuilding.org z lokality Dukovany za období 2004–2018. Je ale otázkou, zda použitá klimatická data odpovídají požadavkům ČSN EN ISO 15927-4. Dle mého názoru jsou zde dva faktory, které tato klimatická data dělají ne zcela věrohodnými a nereprezentujícími typický klimatický rok.
Prvním problémem je, že za referenční místo byla zvolena měřicí stanice Dukovany. Ta je umístěna velmi blízko chladicích věží Jaderné elektrárny Dukovany, čímž dochází k ovlivnění měření (zejména má vliv pára z chladicích věží). Vzdálenost k nejbližší soustavě 4 chladicích věží je 929 m, ke vzdálenější pak 1913 m. Z mapy na obrázku 1 je patrné umístění meteorologické stanice a chladicích věží. Mapa byla vč. měření vzdáleností získána z webu Mapy.cz.
Obr. 1: Poloha meteorologické stanice a nejbližších chladicích věží dukovanské jaderné elektrárny (cca 929 m)
Pro ilustraci uvádím na obrázku 2 fotografii reálných chladicích věží. Červená šipka ukazuje, kde dochází k vypařování vody, která se okamžitě z velké části mění zpět na kapičky tvořící mrak. Následně v místě, které ukazuje modrá šipka, dochází k intenzivnímu vysrážení ve formě deště.
Obr. 2: Chladicí věže s vyznačením výparu (červená šipka) a zpětných srážek (modrá šipka)
Druhým problémem pak je, že údajně byla použita klimatická data za 15 let, pravděpodobně však ne dostatečně vhodně, neboť prezentovaná data neodpovídají obvyklým klimatickým datům. Zde bych rád citoval ČSN EN ISO 15927-4, kde se v kapitole „Termíny, definice“ uvádí: „Referenční rok je rok hodinových hodnot vhodných meteorologických parametrů zastupujících dlouhodobé klima.“ Dále uvedu ukázku některých meteorologických dat, která dle mého názoru nereprezentují dlouhodobé klima v ČR, ale jde o nějaká máločetná období.
Rozdíly v hodnocení
Jak již bylo uvedeno v úvodu, v současné době je možné podle vyhlášky 264/2020 Sb. hodnotit budovy buď s hodinovým krokem výpočtu (ten je povinný tam, kde dochází k chlazení či výrobě FVE), nebo s měsíčním krokem výpočtu. Měsíční klimatická data jsou uvedena v normě ČSN 73 0331-1, hodinová klimatická data však nejsou uzákoněna a mohou se použít libovolná. Dokonce lze dle výkladu vyhlášek nastavit např. konstantní teplotu v exteriéru třeba na hodnotu 20 °C. (Poznámka: ČSN 73 0331-1 zpracovávalo České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra technických zařízení budov; tedy stejný pracovní tým jako hodinová data.)
Energetické hodnocení budov dle měsíčních klimatických dat podle ČSN 73 0331-1 a dle hodinových klimatických dat zpracovaných STP se silně rozchází. V tabulce 1 je na příkladu jednoho rodinného domu ukázáno, jak se některé hodnocené energie procentuálně liší. Dům byl uvažován ve 4 variantách, a sice jako těžká stavba, lehká stavba, s fotovoltaikou a bez ní.
Tab. 1: Rozdíl mezi hodinovými a měsíčními spotřebami energie v procentech pro rodinný dům ve čtyřech variantách
| Rodinný dům s tepelným čerpadlem, krbem a FVE 5 kWp | ||
|---|---|---|
| těžká stavba | lehká stavba | |
| primární neobnovitelná energie | 16,4 % | 18,4 % |
| vytápění | 13 % | 15,3 % |
| Rodinný dům s tepelným čerpadlem a krbem | ||
| těžká stavba | lehká stavba | |
| primární neobnovitelná energie | 9,5 % | 10,7 % |
| vytápění | 13 % | 15,3 % |
Rozdíly jsou i ve všech dalších počítaných spotřebách energie. Velikost těchto rozdílů pochopitelně závisí na druhu stavby.Často vedou k jinému zatřídění do energetických tříd a mohou být výrazně vyšší, než ukazuje uvedený příklad rodinného domu. Tyto rozdíly mohou způsobovat duálnost energetického hodnocení budov. Bude velmi obtížné komukoliv např. při nákupu nemovitosti vysvětlovat, že hodnoty uváděné v Průkazu energetické náročnosti budovy se budou lišit podle toho, zda byl výpočet proveden v měsíčním, nebo v hodinovém kroku výpočtu. Vyhláška totiž nařizuje použití hodinového kroku výpočtu pouze u budov nebo zón s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie. V ostatních případech je možné použít jak měsíčního, tak i hodinového kroku výpočtu.
Rozdíly mezi daty prezentujícími typický rok a daty uvedenými v publikaci STP
Vzhledem k velkému rozsahu dat se zde budu věnovat pouze teplotě a globálnímu slunečnímu záření. Musím ještě předeslat, že mnou užívaná data představující typický rok jsou sice průměrem za období třiceti let, ale pokud bychom chtěli, aby skutečně plně odpovídala mezinárodním meteorologickým standardům pro referenční rok, museli bychom zkontrolovat, zda nedošlo k chybě měření (např. výpadek záznamů dat) a zda nejsou naměřeny extrémní hodnoty. Tyto nesrovnalosti by pak bylo třeba napravit např. vložením průměrných hodnot, hodnot spočítaných interpolací či vynecháním dat z dalších výpočtů, a to vše tak, jak by si to daná data v kontextu ostatních dat vyžádala. Následně by je bylo nutné upravit podle metodiky. Vzhledem k tomu, že jde o poměrně značnou práci, budu nadále vycházet pouze z průměrných dat za třicet let. (U teploty, vlhkosti, slunečního záření se referenční rok skládá z jednotlivých měsíců, které mají tyto parametry nejbližší průměru, podrobněji ČSN EN ISO 15927-4.)
Pokud si klimatická data zpracujeme do grafů tak, aby byla lehce čitelná a porovnatelná, dostaneme pro měsíční výpočet níže uvedené grafy. V tomto případě byly porovnávány sady dat pro měsíční krok ze tří zdrojů, pro denní a hodinový krok pouze ze dvou zdrojů. Byla použita data převzatá z publikace STP, dále data z ČHMÚ pro lokalitu Hradec Králové za třicetileté období 1993 až 2022 (Hradec Králové bývá považován za meteorologický střed ČR. Nikde jinde na území ČR nebylo měření s hodinovým krokem prováděno a ani zde teploty nebyly po celou dobu měřeny s hodinovým krokem.) a poslední sada byla použita pouze pro měsíční výpočet a byla převzata z ČSN 73 0331-1.
V grafu 1 je roční průběh teplot při měsíčním kroku a v grafu 2 roční průběh globálního záření při měsíčním kroku. Je patrné, že teploty jsou u všech třech sad klimatických dat přibližně stejné. Globální záření je však v ČSN 73 0331-1 silně podhodnoceno a je téměř poloviční oproti klimatickým datům změřeným v Dukovanech i průměrným klimatickým datům z Hradce Králové.
Graf 1: Roční průběh teplot (°C) – měsíční krok
Graf 2: Roční průběh globálního záření (W/m²) – měsíční krok
Graf 3: Roční průběh teplot (°C) – krok den
Graf 4: Roční průběh globálního záření (W/m²) – krok den
Zajímavější grafy představují hodnoty vzniklé zprůměrováním klimatických dat v jednotlivých dnech. Lze předpokládat, že dny po sobě následující budou mít přibližně stejné teploty i sluneční záření. Snad by bylo možné vysledovat i cyklické pravidelně se opakující meteorologické jevy vyvolané dalšími vlivy mimo pohybu slunce, mám na mysli např. notoricky známou medardovskou cirkulaci na přelomu jara a léta. Mimo tyto cyklické jevy by však nemělo docházet k velkým rozdílům. Bohužel graf 3 zobrazující průměry teplot po jednom dni a graf 4 zachycující průměry globálního záření po jednom dni ukazují, že hodnoty uváděné v publikaci STP jsou velmi nepravidelné a mají poměrně značné výchylky mezi jednotlivými dny proti třicetiletým průměrům dle ČHMÚ. (I data z ČHMÚ mají jistou, byť výrazně menší nepravidelnost – ale to je pravděpodobně dáno tím, co jsem uvedl výše, a sice že nedošlo k validaci dat.) K tomu bych chtěl ještě podotknout, že referenční rok by se měl konstruovat podle již zmíněné ČSN EN ISO 15927-4, kde je v bodě 5 uvedeno, jak referenční klimatický rok konstruovat. Vychází se z průměru teplot a vlhkostí z minimálně desetiletého období, dále se hledá příslušný měsíc, ve kterém je nejmenší odchylka od tohoto průměru, a z daného měsíce se použijí další klimatické údaje, jako je rychlost a směr větru. Přitom se vždy prvních a posledních 8 hodin upravuje tak, aby vznikl plynulý přechod mezi jednotlivými měsíci v referenčním roku. K této normě si ještě dovolím poznamenat, že v informativní příloze uvádí páteřní a doplňkové stanice pro vytvoření referenčního roku, kdy by mělo být hodinové měření prováděno od roku 1991. Dle mého zjištění ale nejsou na žádné meteorologické stanici měřeny všechny potřebné hodnoty pro vytvoření referenčního roku od roku 1991.
Graf 5: Roční průběh teplot (°C) – hodinový krok
Graf 6: Roční průběh globálního záření (W/m²) – hodinový krok
Ještě větší rozdíly jsou patrné při hodinovém kroku, jak ukazují grafy 5 a 6. Zde je pochopitelně zřejmý i rozdíl mezi dnem a nocí.
Uvedené nesrovnalosti vedly k tomu, že jsem se na některá data podíval podrobněji (pouze nahodile, neboť procházet 10 různých klimatických parametrů pro všech 8 760 hodin v roce je velmi zdlouhavé) a všiml jsem si různých nesrovnalostí, z nichž některé uvedu dále.
Graf 7: Globální sluneční záření (W/m²) 1. ledna až 8. ledna 6:00 až 18:00
Například pokud se podíváme na první dny v referenčním roce dle STP (viz graf 7), zjistíme, že pro ČR by dle hodinových klimatických dat mělo být typické velké kolísání globálního záření. Například pro 6. ledna je dle těchto dat typické téměř čtvrtinové globální záření oproti dnům 4. či 5. ledna. To je pochopitelně velice nepravděpodobné. Křivky v grafu by samozřejmě měly být jednak velice podobné a jednak plynulé a mít tvar pohybu slunce po obloze.
Graf 8: Přímé sluneční záření na vodorovnou plochu (W/m²) 1. ledna až 8. ledna 6:00 až 18:00
V grafu 8 pak vidíme, že dle referenčního roku dle STP nastal 3. ledna pokles slunečního svitu v poledne. Dále je patrné, že by slunce nemělo svítit 7. ledna téměř vůbec a 8. ledna by mělo být zcela za mrakem. Dle mého názoru jsou tyto anomálie pravděpodobně vyvolané blízkostí chladicích věží a klimatologické stanice. Svědčí o tom i směr větru v klimatických datech.
Graf 9: Teplota (°C) 28. května a 30. května
Velmi názorný je také graf 9, který zachycuje průběh teplot 28. a 30. května. Je z něj patrný velký rozdíl v teplotách těchto dní a paradoxně teplota 30. května přes den klesá a v poledne je téměř nejnižší.
Všiml jsem si i dalších obdobných zajímavých případů netypických pro klima v ČR uvedených v publikaci STP. Ovšem pokud bych je zde chtěl prezentovat, byl by článek příliš obsáhlý. Navíc jak jsem uvedl, nestudoval jsem data podrobně, pouze jsem se se zájmem podíval na ty případy, kterých jsem si náhodou všiml.
Důvody hodnocení budov podle typického klimatického roku
V minulosti se pro energetické hodnocení a pro energetické výpočty používal typický rok vypočtený z dlouhodobého padesátiletého průměru. Vzhledem k tomu, že dochází ke klimatickým změnám a padesátiletý průměr vypadá, že neposkytuje dostatečný obraz těchto klimatických změn, bylo umožněno používat i kratší období. To ovšem vede k tomu, že jednotlivé hodiny, dny i měsíce nedostatečně prezentují typické klima v ČR. Mohlo by se zdát, že není zcela podstatné, jaká klimatická data se pro hodnocení budovy použijí, neboť se nejedná o návrh budovy a jejích systémů, ale o hodnocení na základě referenční budovy. A hodnocená budova i referenční budova mají stejná klimatická data, takže není podstatné, jak blízko jsou klimatická data reálným podmínkám.
Při klimatických datech použitých v hodnocení výrazně odlišných od reálných dat však může docházet někdy i k výrazným posunům v hodnocení. Například velké kolísání teplot bude u velmi lehké budovy znamenat problém, neboť svojí konstrukcí není schopná přenést naakumulované teplo z jednoho dne do druhého a bude nutné ji v tomto čase vytápět či chladit. Naopak velmi těžká stavba má velkou akumulační schopnost a výpočtově zde nebude nutné vytápět. Pokud by však teploty mezi jednotlivými dny nekolísaly, budou se obě stavby chovat přibližně stejně a bude zde patrné pouze noční ochlazení.
Závěr
Zpřesňování výpočtů hodnotících energii potřebnou pro provoz domů se bude dít neustále. V současné době přecházíme z výpočtů s krokem jeden měsíc na výpočty s krokem jedna hodina. Je možné, že postupně se bude výpočtový krok ještě zkracovat, i když to asi není v dohledné době pravděpodobné. Zcela jistě se však kromě energie potřebné pro provoz domu bude hodnotit i energie potřebná k výrobě stavebních hmot a zařízení staveb. Bude se také hodnotit použití již recyklovaných materiálů či materiálů, které bude možné po dožití stavby recyklovat.
Pro všechny tyto výpočty je však potřeba mít relevantní data, která budou odpovídat reálným hodnotám. U klimatických dat je potřeba zrušit dvojkolejnost výpočtů, kdy je možné výpočty provádět dvěma různými způsoby, které vedou k různému hodnocení budov.
Výše uvedené skutečnosti mě vedou k názoru, že klimatická data v publikaci STP nejsou zpracována podle platných norem a nerespektují pravidla tvorby typického klimatického roku. V tomto směru velmi vítám iniciativu MPO, které letos na jaře rozeslalo odborné veřejnosti dotazník ke všem parametrům pro hodinový výpočet, což by mohlo být dobrým impulzem pro kompletní aktualizaci ČSN 73 0331-1.
Vaše názory
reakce na Ing. Vít Lelek:
Vážený pane, částečně s vámi souhlasím. I mně přijde neustálé zpřesňování a zpodrobňování výpočtů jako neadekvátní výsledku. V některých zemích se PENB stanovuje dle skutečné spotřeby objektu, tedy nic se nepočítá.
Na druhou stranu, pokud se děje zpodrobňování výpočtů, tak by měly co nejvíce odrážet skutečnost. Proto volba Dukovan, z mého pohledu, je nešťastná, neboť ubírá sluneční záření, které jinde obvykle svítí. Také skokové změny teplot v rámci velmi krátkého období znevýhodňují některé stavby.
Pokud bychom (a současná legislativa to umožňuje) chtěli klimatická data dovést do krajnosti, tak lze zvolit teplotu v exteriéru +20 °C. Zde by se pak uplatnila opět vaše námitka, že všechny hodnocené budovy budou hodnocené stejně. A pokud bychom nechtěli volit exteriér +20 °C, tak kolik? (průměrná teplota od září do května + 2,8 °C? Nebo 3,8 °C?) Vše by bylo na neustálou diskuzi, a proto by bylo třeba zvolit taková klimatická data, která budou odpovídat průměrnému klimatickému roku. A to se bohužel autorům momentálně používaných klimatických dat nepodařilo.
Je pravda, že počasí nebude nikdy odpovídat průměrnému klimatickému roku, je pravda, že uživatelé ovlivňují spotřebu výrazně více než klima. S tím vším s vámi souhlasím. A ještě bych doplnil, že naše výpočty jsou v mnohém velmi nepřesné (nepočítá se se solárními zisky netransparentními konstrukcemi, obvykle chybně se počítají solární zisky transparentními konstrukcemi, nepočítá se s tepelnými zisky z podloží (v ČR cca 12 mW/m²), a mnoho dalšího).
Pokud děláme takto přesné výpočty, mělo by se počítat nikoliv s "nějakými" klimatickými daty, ale s daty vytvořenými v souladu s platnými normami pro průměrný klimatický rok. Což ta, která byla zpracována na objednávku MPO nejsou.
Zpracovávám průkazy energetické náročnosti budov od doby, kdy se začala posuzovat energetická náročnost budov. Za těch dvacet došlo několikrát k zásadním změnám ve způsobu hodnocení budov. Výpočty se za tu dobu tak zesložitily, že nyní existují pouze dva výpočetní programy, které to zvládnou, a to ještě s obtížemi.
Smysl hodnocení energetické náročnosti budov je ale stále tentýž – porovnat navrženou budovu s nějakým stanoveným požadavkem. V současné době je to, zjednodušeně, hodnota primární energie z neobnovitelných zdrojů v kWh/(m².rok).
Udivuje mě snaha tvůrců předpisů na co nejpodrobnější stanovení podmínek pro výpočet. V článku se řeší hodinová klimatická data. Z hlediska porovnání řešené budovy s referenční budovou je lhostejné, zdali se vezmou klimatická z Dukovan nebo z Prahy, jestli se vezmou hodinová nebo měsíční. Poměr energií v hodnocené budově a referenční budově bude vždy tentýž. To pro zařazení budovy do klasifikační třídy stačí.
Jediné, co se změní, je absolutní hodnota primární energie z neobnovitelných zdrojů a dalších sledovaných veličin. To ale není na závadu, protože při hodnocení energetické náročnosti budovy nejde o to, aby se vypočítaná potřeba energie blížila skutečné spotřebě. Tím spíš, že primární energie z neobnovitelných zdrojů je neměřitelná.
Článek dobře ukázal vliv vstupních dat na výsledek výpočtu. Rozdíl hodinového a měsíčního kroku je okolo 15 %. Tento rozdíl bude stejný jak u referenční, tak u hodnocené budovy. Na reálnou spotřebu energie v budově, která se podle dokumentace postaví, ale nemá tento rozdíl žádný vliv.
Co se týká spotřeb energií v reálných stavbách, uvedu příklad. Jako člen výboru společenství vlastníků v bytovém domě mám přístup ke spotřebám tepla a teplé vody. Rozdíly ve spotřebách u stejných bytů jsou několik desítek procent. Samozřejmě je to závislé na počtu osob v bytě a jejich chování.
Druhý příklad. Byl jsem na dni otevřených dveří ve svojí základní škole. Byla zde tabulka, kolik žáků za 60 let existence školy zde bylo v každém školním roce. Bylo to od 333 žáků do 837 žáků. A pořád jsou to tytéž budovy. Samozřejmě počet žáků se musí výrazně promítnout do spotřeby energií.
Zpřesňování vstupních údajů a zadávání dalších a dalších veličin zbytečně komplikuje práci jak zpracovatelům hodnocení energetické náročnosti budov, tak tvůrcům výpočetních programů. Zbytečně se prodražují průkazy energetické náročnosti budovy. Sice dojde ke zpřesnění výsledku, ale tento výsledek je prakticky nepoužitelný. Skutečné spotřeby budou jiné a budou záviset na aktuálním využívání budovy. A i stejné budovy se budou mezi sebou lišit o více procent, než výpočty v průkazech energetické náročnosti budovy.
Požadavky na energetickou náročnost budov sice vycházejí z předpisů Evropské unie, ale zákony, vyhlášky a normy jsou české. Je tedy na českých odbornících, jestli hodnocení energetické náročnosti budov udělají jednoduché nebo komplikované.
Jednoznačně správné bude zahrnout do výpočtů energie potřebné na zhotovení a likvidaci budov. Masivní budovy, které spotřebují spoustu energie ještě před tím, než se postaví (výroba cementu, těžení a doprava velkého objemu materiálů, vypalování cihel apod.), se nemohou postavit na stejnou startovní čáru jako dřevostavby.
Naopak zavádění hodinového kroku do výpočtu bylo zcela zbytečné. Znamenalo to spoustu práce odborníků a vývojářů a další náklady pro zpracovatele průkazů. Grafy v článku jednoznačně dokazují, že s původním měsíčním krokem šlo průkazy docela dobře počítat, aniž by to mělo vliv na kvalitu a objektivnost hodnocení. I spoustu dalších údajů, které nemají vliv na zatřídění budovy do klasifikační třídy, by bylo možno při zadávání průkazů vypustit.
Je třeba si uvědomit, že vstupní data nikdy nebudou odpovídat reálným hodnotám. Na druhou stranu nejistota v jejich přesnosti je výrazně menší než odchylky ve spotřebě dané reálným chováním uživatelů v průběhu životnosti budovy.
Pro registrované uživatele je povolena diskuze.
Můžete se přihlásit, nebo se můžete zaregistrovat podle návodu pro registraci.