Srovnávací studie

Srovnávací studie

Požadavek na exaktní určení energetické náročnosti dílčích částí objektů přinesla povinnost sledovat spotřebu tepla v koncových bodech soustav ústředního vytápění. Cílem jejího zavedení je přimět uživatele daných prostor k úspornému chování a šetření energiemi. A prostředkem k jeho dosažení má být buďto měření dodaného tepla, nebo stanovení množství dodaného tepla na základě měření jiných fyzikálních veličin. Rozhodující je, která možnost je pro konkrétní objekt nákladově efektivnější.

Měření dodávané energie zajišťují kalorimetry, k odvození spotřeby tepla slouží poměrové indikátory nebo takzvaná gradenová metoda. Sběr vstupních dat probíhá průběžně během otopné sezóny, vyhodnocení jedenkrát ročně. Výsledkem je podklad pro rozúčtování celkové dodávky tepla mezi jednotlivé spotřebitele.

Rozúčtování nákladů na vytápění je založeno na principu „srovnatelné místnosti vytápěné na srovnatelnou úroveň musí mít i srovnatelné náklady“. Z toho vyplývá, že předmětem zájmu není spotřeba tepla, ale měrná spotřeba tepla vztažená k podlahové ploše. To mnohým často nedochází. Této podmínce ovšem bez dalších úprav vyhovuje pouze jedna z uvedených možností – gradenová metoda.

Další dvě varianty (kalorimetry, poměrové indikátory) se zaměřují výhradně na určení množství dodávaného tepla. Místní potřeba se přitom liší podle toho, jaké má hodnocený prostor tepelné ztráty a kolik zde působí vnějších tepelných zisků. Stručně řečeno, zásadní roli hraje poloha místnosti v rámci domu. Výstupy měření se proto musí dále upravovat.

Rozdíly v okrajových podmínkách je nutné zohlednit prostřednictvím polohových koeficientů, které vyjadřují energetickou náročnost daných prostor. Přesnost určení měrné energetické náročnosti je předpokladem spravedlivého rozúčtování nákladů na vytápění.

Metody pro stanovení energetické náročnosti

Empirické koeficienty

Jde prozatím o nejrozšířenější metodu vyjádření energetické náročnosti. Je založena na empirii, tedy využití poznatků nabytých předešlými zkušenostmi. Hodnoty příslušných srážkových koeficientů se nestanovují výpočtem, ale kvalifikovaným odhadem.

Neexistuje žádná oficiální metodika, každá organizace využívající tuto variantu má svá vlastní pravidla, podle kterých odhady provádí. V zásadě se jedná o soubor případů, jež se v praxi vyskytují, přičemž každý z nich je ohodnocen konkrétní sazbou. Čím vyšší vliv na energetickou náročnost, tím vyšší srážka.

Pro posuzovaný prostor se v seznamu vyhledá odpovídající případ a hodnota korekce. U místností, které lze zařadit současně k více případům, se příslušné korekce sčítají. Výstupem je tabulka hodnot ležících v intervalu 0 až 1. Prostor, u kterého se neuplatňuje žádná srážka, má hodnotu rovnu jedné. Náměry indikátorů se vytvořenými koeficienty násobí.

Bilanční koeficienty

Metoda založená na výpočtu tepelné bilance vytápěných prostor. Vedle tepelných ztrát se do bilance zahrnují i vnější tepelné zisky. Iterační výpočet poté běží tak dlouho, dokud se veškeré tepelné toky v objektu a na jeho plášti nedostanou do ustáleného stavu.

Metodika výpočtu vychází ze současného stavu poznání a je v souladu s českou i evropskou legislativou. Vstupními daty jsou parametry všech v objektu zastoupených konstrukcí, návrhové parametry ústředního vytápění a místní meteorologická data pro zvolené časové období. Zohledňuje se rovněž vliv oslunění a míra zastínění okolními objekty, terénem a vegetací.

Výstupem výpočtu jsou koeficienty, které vyjadřují odchylku tepelné bilance každé jedné místnosti od váženého průměru tepelných bilancí všech místností v objektu. Čísla větší než 1 signalizují nadprůměrnou energetickou náročnost, čísla menší než 1 naopak podprůměrnou. Náměry indikátorů se vypočteným koeficientem dělí.

Porovnání empirických a bilančních koeficientů

Kvůli principiálním odlišnostem nelze výstupy obou metod jednoduše srovnávat. Zatímco v případě empirie hodnoty koeficientů s rostoucí energetickou náročností klesají, u bilančních je tomu naopak. Prvními se musí náměr násobit, kdežto druhými se dělí.

Z tohoto důvodu bylo nutné u jedné z metod použít převrácené hodnoty zlomku. Volba padla na bilanční koeficienty, a to z jediného důvodu. Po této úpravě se budou náměry indikátorů v obou případech násobit, což je současná praxe daná většinovým požíváním empirických koeficientů.

Pro porovnání výstupů byl zvolen objekt, u kterého se dosud náklady na vytápění rozdělovaly s využitím empirie. Z důvodu nespokojenosti některých obyvatel domu se vedení SVJ rozhodlo pro změnu a nechalo vypočítat bilanční koeficienty.

Obrázek č. 1 – číslování místností v hodnoceném objektu

V přiložené tabulce nalezneme jak hodnoty původní (empirické), tak aktuální (bilanční). Pro náš účel srovnávání jsou v dalším sloupci převzácené hodnoty bilančních koeficientů a v posledním sloupci je vyčíslena relativní chyba empirických koeficientů.

Tabulka č. 1 – místnosti v domě a srovnávané hodnoty (k_E – empirický koeficient, k_B – bilanční koeficient, 1/k_B – převrácený bilanční koeficient, δk_E – relativní chyba empirického koeficientu)

Na první pohled je vidět, že obě metody dávají odlišné výsledky.

V následující kapitole jsou detailněji popsány případy, u kterých se při srovnávání bilanční a empirické metody stanovení energetické náročnosti objevily nejvýraznější rozdíly. Vzhledem k tomu, že se jedná o případy, které se v praxi vyskytují naprosto běžně, lze přijaté závěry zobecnit na celou oblast rozúčtování nákladů na vytápění, jež je založena na poměrovém měření tepla.

Výstupy empirické a bilanční  metody a jejich porovnání

Kuchyň v přízemním bytě nad nevytápěným suterénem, sousedící se vstupním prostorem objektu.

V tomto případě empirie selhává hned natřikrát. V empirickém koeficientu nebyla zohledněna poloha vedle nevytápěného vstupního prostoru ani vliv nevytápěného suterénu. V potaz se dále nevzala malá výměra místnosti, která v kombinaci s danými tepelnými ztrátami způsobuje vysokou měrnou potřebu tepla. Ačkoliv se dle  bilančního výpočtu jedná o nejnepříznivější místnost v domě z hlediska měrné energetické náročnosti, empirie ji považuje za průměrnou.

Ložnice v přízemním bytě nad místností s domovní výměníkovou stanicí.

Chyba empirie spočívá v opomenutí vlivu sousedních prostor s trvale nadstandardní vnitřní teplotou. Výměníková stanice produkuje takové množství odpadního tepla, že sousední prostory prakticky není potřeba vytápět. Empirické koeficienty na takový případ vůbec nepamatují. V nabídce prefabrikovaných korekcí je jediná přirážka, a to na jižní orientaci fasády. Bilanční koeficient naproti tomu nejenže plně zohledňuje, ale i přesně kvantifikuje tepelný tok na hranici mezi dotčenými místnostmi.

Ložnice v posledním podlaží s okny orientovanými na jih.

Objekt má dodatečně zateplený střešní plášť, díky čemuž se výrazně snížily původní tepelné ztráty u podstřešních místností. Bohaté jižní prosklení je navíc zdrojem značného množství solárních zisků. Svou roli hraje rovněž prakticky nulové zastínění dané výškovou polohu místnosti. Zatímco bilanční výpočet všechny relevantní vlivy zohledňuje, empirie na tyto skutečnosti nijak nereaguje a jí stanovená korekce tak vůbec neodpovídá realitě.

Kuchyň ve čtvrtém podlaží  s okny orientovanými na východ.

Z pohledu empirie, jak nasvědčuje příslušný koeficient, naprosto bezproblémová místnost. Při bližším zkoumání ale zjistíte, že východní orientaci je potřeba brát s určitou rezervou. Jižněji položené místnosti totiž z fasády znatelně vystupují a brání tak dopadu paprskům přicházejícím z jihovýchodu. Vedle nízkého podílu solárních zisků zde vidíme stejný problém jako u již hodnocené místnosti 114. Kuchyně v tomto domě mají nepříznivý poměr tepelných ztrát vůči podlahové ploše. Protože empirie tento důležitý aspekt ignoruje, je rozdíl oproti přesně vypočteným bilančním koeficientům markantní.

Obdobným problémem trpí rovněž místnost 534 ležící o patro výš. U ní byla zjištěna chyba +43 %.

Ložnice ve třetím podlaží s okny orientovanými na jih.

Ačkoliv tato místnost leží v téměř dokonale chráněné pozici (jižní fasáda, uprostřed dispozice) a dalo by se tedy očekávat, že bude mít nejvyšší možný empirický koeficient, opak je pravdou. Vedle přirážky za jih byla ve výsledném empirickém koeficientu evidentně uplatněna srážka na rohovou místnost. O tom, jaký je skutečný vliv rohu, jež leží uprostřed jižní fasády, nejlépe vypovídá bilanční koeficient. Částečné navýšení tepelných ztrát je bohatě kompenzováno solárními zisky.

Naprosto identickou situaci je možné pozorovat u místností 412 o patro výš (chyba ve výši -46 %) a 212 o patro níž (-44 %).

Pokoj ve čtvrtém podlaží  s okny orientovanými na jih.

Jedná se místnost s ideálními okrajovými podmínkami. Chráněná poloha, vysoká míra zasklení s jižní orientací, příznivý podíl tepelných ztrát a podlahové plochy. Aby byla taková a podobné místnosti v duchu vyhlášky srovnatelné s ostatními v domě, musí u nich být vliv nadstandardně příznivé polohy správně korigován, jinak budou nezaslouženě zvýhodněny. Na první pohled je vidět, že empirický koeficient ve výši 1,0 tuto úlohu absolutně neplní. Hodnota vypočteného bilančního koeficientu ukazuje, jak vzdálená může být reálná energetická náročnost od takzvaně kvalifikovaného odhadu.

Obývací pokoj v posledním podlaží s okny orientovanými na západ.

Podle tabulky empirických koeficientů z hlediska energetické náročnosti jedna ze tří nejhorších místností v domě. Jedná se o odhad vycházející ze souběhu tří faktorů – poslední podlaží, rohová místnost, severní fasáda. Výpočet skutečné tepelné bilance ale ukazuje hodnocený obývací pokoj v úplně jiném světle. Díky kvalitnímu zateplení střechy, solárním ziskům od západního prosklení a velké podlahové ploše místnost nikterak nevybočuje z průměru.

Dvě místnosti v posledním podlaží. Pokoj 543 je na obrázku vlevo, kuchyň 544 vpravo.

Zatímco empirie přisoudila oběma místnostem shodný koeficient, bilanční výpočet odhalil závažnou chybu. Při pohledu na model domu je patrné, že místnost 543 díky rozdílné výškové úrovni podlah levé a pravé části domu částečně vyčnívá nad sousední střechou. Prakticky se tedy jedná o rohovou místnost, jež má daleko vyšší podíl obvodových konstrukcí než sousední místnost 544. A zákonitě také jinou energetickou náročnost. Autor empirických koeficientů tuto skutečnost zcela přehlédl. U bilanční metody je něco podobného vyloučeno, zpracovatel by byl na chybu upozorněn již ve fázi digitálního modelu.

Čtyři stejně velké obývací pokoje v posledním podlaží, lišící se orientací vůči světovým stranám. 511 je vlevo vepředu, 521 vlevo vzadu, 531 vpravo vzadu a 541 vpravo vepředu.

Na tomto příkladu se názorně ukazují rozdíly v hodnocení vlivu orientace vůči světovým stranám. Zatímco empirie celou problematiku zužuje na pouhé „za sever srážka, za jih přirážka“, bilanční výpočet sleduje mimo jiné i orientaci oken včetně vlivu zastínění, a z toho plynoucí tepelné zisky. Nejpříznivěji proto vychází místnost 511 s jižními okny, následuje místnost 541 s východními nestíněnými okny, potom místnost 521 se západními okny a nakonec místnost 531 s východními stíněnými okny.

Dva stejně velké obývací pokoje, 111 v přízemí, 511 v posledním podlaží. 

Vliv střešního pláště na jedné straně a suterénního stropu na straně druhé se výrazně liší podle míry zateplení jedné či druhé konstrukce. Ačkoliv by se mohlo zdát, že střecha znamená největší ztráty, mnohdy bývá větším problémem naopak suterénní strop nad nevytápěným sklepem. Dotčené místnosti v posuzovaném objekty byly z pohledu empirie shledány jako srovnatelné. Bilanční výpočet naproti tomu ukázal, že tepla uniká daleko více ze spodní místnosti do suterénu, než z horní místnosti střechou ven.

Dvě místnosti v chráněných pozicích, výrazně se lišící podlahovou plochou. Malá kuchyň 444 je na obrázku vpravo, o polovinu větší ložnice 412 je vlevo. 

Zde je jasný důkaz, co přináší nepochopení zadání. Smyslem polohových koeficientů nemá být zohlednění teplených ztrát místností [W], ale měrné energetické náročnosti [W/m²]. Proto je při jejich konstrukci klíčovým parametrem výměra podlahové plochy. S tou empirické koeficienty vůbec nepočítají. Bilanční koeficienty naproti tomu daná pravidla ctí, takže nemůže být tedy sporu, co je příčinou zjištěného rozdílu.

Dvě z pohledu tepelných ztrát identické místnosti v různých výškových úrovních. Obývací pokoj 241 ve druhém podlaží a obývací pokoj 441 ve čtvrtém podlaží. 

Srovnání empirických a bilančních polohových koeficientů u těchto dvou místností dokumentuje vliv zastínění okolními stavbami. Zatímco slunečním paprskům v přístupu k oknům v horních podlažích nic nebrání, spodní část objektu bývá pravidelně zastiňována blízkým sousedním objektem. Bilanční výpočet tuto skutečnost reflektuje a korekce pro obě místnosti se tedy liší. Empirie s podobnými vlivy vůbec nepočítá, a proto udává pro obě místnosti shodné hodnoty polohových koeficientů.

Vyhodnocení výsledků

Chybovost empirie se v případě výše uvedeného srovnání pohybuje v rozmezí od -56 % do +121 %. Výsledky jsou zpracovány do následujícího grafu. Z celkových 77 místností je pouze 1 odhadnuta přesně. Dalších 15 má chybu menší než ±10 %. Ta by se s přimhouřením oka dala ještě akceptovat. Zato 12 má chybu až ±20 %, 20 chybu až ±30 %, 18 chybu až ±40 %, 9 chybu až ±50 %, a 2 chybu dokonce vyšší než ±50 %!!!

Podíl čtyř posledních položek lze jednoznačně označit za kritický. Celkem 64 % všech případů!

Obrázek č. 14 – Standardní chybovost empirických polohových koeficientů ve srovnání s bilančními

Závěr

Principem bilančních polohových koeficientů je výpočet průměrné tepelné bilance v průběhu otopného období. S kvalitními podklady a při využití relevantních meteorologických dat se jedná o spolehlivé posouzení energetické náročnosti hodnocených prostor. V současné době není známa jiná alternativa, pomocí které by se dalo dosáhnout prokazatelně přesnějších výsledků. To je důvodem, proč rozdíl výstupů z porovnání bilančních a empirických koeficientů interpretovat jako chybu empirické metody.

Empirie je založena na zkušenostech, koeficienty se nepočítají, ale odhadují. Rozhodujícím je tedy nespolehlivý lidský faktor. Daleko závažnějším problémem je ovšem skutečnost, že se empirie nezabývá posouzením měrné potřeby tepla, jak požaduje legislativa, ale fakticky hodnotí pouze tepelné ztráty. Informace o jejich výši je sice důležitá, ale bez vztahu k podlahové ploše dané místnosti nemá potřebnou relevanci!

Empirické koeficienty nejenže postrádají přesnost, ale dokonce hodnotí energetickou náročnost místností podle špatného kritéria…

Vysoká chybovost empirických koeficientů nedává žádné záruky spravedlivého rozúčtování nákladů na vytápění. Prefabrikované srážky nemohou objektivně ohodnotit vliv různě velkých obvodových konstrukcí tvořených různými materiály. Neplatí předpoklad, že počet obvodových konstrukcí určuje energetickou náročnost dané místnosti. Vadou trpí i srážky na orientaci vůči světovým stranám. Ty pro změnu neberou v potaz vliv trvalého nebo částečného zastínění.

V rozúčtování nákladů na vytápění jde o velké peníze. Proto potřebujeme takové výstupy, s jejichž pomocí dokážeme správně a přesně určit energetické podíly jednotlivých místností na celku. Se současnou výpočetní technikou a znalostmi z oboru stavební fyziky není možné energetickou náročnost odhadovat. Musí se počítat, a to co nejpřesněji. Jakékoliv nevynucené zjednodušování není na místě.