Pasívny dom v číslach

Pasívny dom (PD) má ročnú mernú potrebu na vykurovanie do 15 kWh/(m²rok). Ide o energiu, ktorú musíme pokryť nejakým zdrojom (ohrievačom). Ďalšie potrebné teplo produkujú bývajúce osoby, domové elektrospotrebiče alebo slnečné žiarenie, ktoré vniká do domu oknami. Počíta sa ale iba jeho využiteľná časť, ktorá slúži k dosiahnutiu požadovanej pobytovej teploty.

Definícia pasívneho domu

Dotačný program Zelená úsporám (ZÚ) zaviedol svoju definíciu pasívneho domu, ktorá stanoví mernú potrebu tepla na vykurovanie krytú zdrojmi do 20 kWh/(m2rok). Predpis TNI 73 0329 [1], ktorým sa program ZÚ riadi, zaviedol potom druhú energetickú požiadavku, aby potreba primárnej energie na vykurovanie, prípravu teplej vody a technické zariadenia pasívneho domu nepresiahla 60 kWh/(m²rok). Zároveň zaviedol pre celú ČR jednotné klimatické podmienky (dané v tab. 1 v [1]). To znamená, že pasívny dom z polabskej nížiny zostáva pasívnym pri správnej orientácii aj v Jeseníkoch, aj keď sa energetickou spotrebou budú líšiť.

Primárnu energiu definujeme ako energiu z neobnoviteľných zdrojov, teda z uhlia, ropy, plynu, uránu. Ich alternatívou sú obnoviteľné zdroje, kam zaraďujeme hlavne energiu slnka, geotermálnu energiu a biomasu. Energiu pre vykurovanie a ostatnú prevádzku domu prepočítava program ZÚ na primárnu podľa tab. 1.

Príklad 1: Pasívny dom vykurovanej plochy 150 m² potrebuje, aby mu vykurovacia zostava dodala za rok do 2,25 MWh/rok (=150 m² × 15 kWh/m²/rok) tepla. Respektíve v programe ZÚ o 1/3 viac. Ak je zdrojom tepla elektrina, zaplatíme cca do 184 €, resp. 245 €. (k prepočtu bol použitý kurz z 26. 02. 2011) K tomu by malo stačiť len malé zariadenie, fén, o výkone 1 až 2 kW pre dohriatie vzduchu v období mrazov a zariadenie pre nútené vetranie s rekuperáciou.

Pasívny dom spoločnosti ELK z Planej nad Lužnicou (ČR)

Rodina, ktorej členovia vážia dokopy 200 kg, vyžaduje pri bežnej pohybovej aktivite dodávku 260 m³ čerstvého vzduchu za hodinu, aby obsah CO₂ neprekročil zdravotnú hranicu 700 ppmv (čerstvý vzduch vonku má 400 ppmv CO₂). Ukazuje to výpočtový program [3]. Len za január by sa pri priemernej teplote –1 °C s odvádzaným vzduchom vyvetralo bez rekuperácie cca 1,37 MWh tepla, po prepočte na podlahovú plochu 9,1 kWh/m². A za celú zimu viac, ako môže pasívny dom „prekúrit” za celý rok. Pre porovnanie: keď rodina intenzívne pracuje alebo cvičí, znamená to meniť 810 m³ vzduchu za hodinu. Výmena vzduchu prebieha jednak netesnosťami domu a jednak pomocou rekuperačného zariadenia. To je vhodné voliť tak, aby reagovalo na okamžitú potrebu a nie pracovalo s konštantnou výpočtovou výmennou 25 m³/h × 0,7 na osobu podľa projektovaného obsadenia domu.

Požiadavka na potrebu tepla pasívneho domu nezohľadňuje, keď vykurovacie zariadenie využíva obnoviteľný zdroj energie. Môžeme ale počítať s tým, že významnú časť potreby tepla môžeme kryť slnečným žiarením prenikajúcim oknami, a teplom od bývajúcich osôb a domácich elektrospotrebičov (bez technických zariadení).

Príklad 2: Ponechajme náš pasívny dom prázdny, so stiahnutými roletami, len so zapnutým zdrojom elektrického vykurovania. Po roku zistíme, že sme prekúrili 8,25 MWh/rok elektriny. Ročná merná potreba tepla teda bola 55 kWh/(m²·rok) a ročná merná potreba primárnej energie, viď tab. 1, trikrát väčšia, tzn. 165 kWh/(m²·rok). Ani zďaleka to nevyzerá, že ide o pasívny dom.

Ak zvolíme ako zdroj tepla kotol na drevo, zostane ročná merná potreba tepla rovnaká, ale ročná merná potreba primárnej energie klesne na 2,75 kWh/(m²·rok). Sme teda na dobrej ceste splniť druhú požiadavku TNI [1] na spotrebu primárnej energie do 60 kWh/(m²rok).

Vytiahnite teraz rolety, pre ktoré energetický technik určil na základe TNI [1] merný využiteľný tepelný zisk v hodnote 30 kWh/(m²·rok). Tým sa dostaneme na ročnú mernú potrebu tepla už len 25 kWh/(m²·rok) a mernú potrebu primárnej energie len 1,25 kWh/(m²·rok).

A keď do pasívneho domu konečne nasťahujeme rodinu, pre ktorú technik vypočíta, že poskytne využiteľné merné celoročné teplo (vrátane elektrospotrebičov, ktoré bude používať) 12 kWh/(m²·rok), bude ročná merná potreba tepla nášho pasívneho domu 13 kWh/(m²·rok) a merná potreba primárnej energie len 0,65 kWh/(m²·rok). Rodina samozrejme bude ohrievať vodu, prevádzkovať vzduchotechniku a rekuperačnú jednotku. Hlavná položka, ohrev vody, znamená pre štvorčlennú rodinu podľa TNI [1] celoročnú potrebu 2,2 MWh/rok, v merných jednotkách 14,67 kWh/(m²·rok). To zodpovedá mernej potrebe primárnej energie 44 kWh/(m²·rok) pri ohreve elektrinou, 14,67 pri ohreve tepelným čerpadlom s COP = 3 a len 0,73 pri ohreve drevom.

Vlastnosti pasívnych domov

Už z uvedených definícií a príkladov zreteľne plynie, že pasívne domy sa od väčšinových zásadne líšia. A to nielen potrebou tepla a energiou na prevádzku. Odlišný je aj spôsob chápania týchto domov a štýl života, ktorý ponúkajú. Ide o veľmi zdravé bývanie, kde kvalita vzduchu zodpovedá čerstvému vonkajšiemu vzduchu a teploty sa vždy udržujú na príjemných hodnotách od 20 °C v zime do 27 °C v lete. Zosumarizujme si základné charakteristiky PD:

• Pasívny dom má veľmi nízku potrebu energie k vykurovaniu, ktorú je možné kryť zdrojom s veľmi malým výkonom.
• Potreba tepla je prevažne krytá slnečnými ziskami, bývajúcimi osobami a prevádzkou domácich spotrebičov. Tepelný zdroj kryje cca štvrtinu celkovej potreby tepla.
• Potreba tepla pre ohrev vody je rovnaká alebo vyššia, než teplota krytá zdrojmi.
• PD má aj nízku potrebu primárnej energie za prevádzku, ktorej docieľuje využitím spáleného tepla dreva, termických a fotovoltaických solárnych zariadení, prípadne tepelných čerpadiel. Týmito zariadeniami nahrádza hlavne elektrinu z rozvodnej siete.

Základy plánovania pasívneho domu

Rozhodujúca je predovšetkým veľkosť tepelnoizolačných vlastností strechy, obvodových stien, spodnej podlahy a okien. Je vhodné riadiť sa konkrétnymi hodnotami podľa tab. 2, ktorá čerpá z návrhu normových hodnôt súčiniteľa prestupu tepla pre pasívne domy uvedeného v tabuľke [2]. Okná pre PD majú veľkú stavebnú hĺbku a obsahujú tepelnoizolačné trojsklá alebo rovnocenné dvojsklá s medzisklenou termoreflexnou fóliou Heat Mirror. Hrúbky tepelných izolácií v stenách dosahujú až 45 cm, v streche až 60 cm.

Keď je toto splnené bude dosiahnutie pasivity závisieť na týchto okolnostiach:

• spôsobe využívania domu (špecifikovaným v projekte),
• natočeniu voči svetovým stranám,
• ploche okien orientovaných na juh,
• veľkosti, tvare a vnútornej dispozícii domu.

Spôsob užívania domu

Z príkladu 2 plynie, že počet prítomných osôb zásadne ovplyvňuje spotrebu tepla krytú zdrojmi. Predpis [1] udáva, že na jednu osobu (bez rozdielu veku) pripadá produkcia tepla o výkone 100 W, v čom je zahrnuté jej metabolické teplo a teplo z domácich spotrebičov, ktoré používa. Pre účely posudzovania spotreby tepla sa toto číslo vynásobí navrhovanou obsadenosťou domu a k tomu sa pripočíta 100 W (za zdieľané spotrebiče). Výsledok sa potom vynásobí faktorom 0,7 vyjadrujúcim podiel prítomnosti osôb.

Trojčlenná rodina tak podľa TNI 73 0329 produkuje teplo o výkone 400 × 0,7 = 280 W, štvorčlenná 350 W atď. Za sedem vykurovacích mesiacov od októbra do apríla ide o energiu 1,425 MWh pre trojčlennú, 1,781 MWh pre štvorčlennú a 2,137 MWh pre päťčlennú rodinu. Čo predstavuje 17,2 %, resp. 21,6 %, resp. 25,9 % z celkovej potreby tepla PD 8,25 MWh/rok z príkladu 2.

Pokiaľ nám teda pasivita domu nevychádza, stačí často len navrhnúť do dokumentácie vyššiu obsadenosť domu, na štyri alebo päť osôb a vnútorné dispozície naplánovať tak, aby sa, pokiaľ je to možné, nezmenila vykurovaná plocha. Nie je to ale jediná možnosť.

Solárne zisky v zime

Predpis TNI [1] ponúka veľké možnosti pre využitie tepla zo slnečného žiarenia, ktoré v zime prechádza do budovy. Neumiestnený (typový) návrh pasívneho domu by mal mať na najväčšej, južnej strane veľkú plochu okien, za ktorými by mali byť hlavne obytné miestnosti.

Aj napriek tomu, že okná do PD môžu mať podľa [1] až desaťkrát horšie tepelnoizolačné vlastnosti než steny, kúzlo je nasledujúce: Tabuľka 1 v TNI 73 0329 [1] uvádza dlhodobé priemerné mesačné teploty a priemerné mesačné intenzity slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zvislé steny orientované do ôsmich svetových strán a na horizontálnu rovinu. A práve južne orientované zvislé okná majú aj v najchladnejších mesiacoch (december, január) väčší priemerný celomesačný solárny tepelný zisk, než je ich priemerná celomesačná strata tepla prestupom.

To znamená, že čím viac okien sa nám podarí orientovať na juh, tým lepšia bude merná spotreba energie na vykurovanie. Aby teda PD dobre vyšiel, je vhodné jeho najväčšiu plochu orientovať na juh a tú čo najviac osadiť oknami (v neprospech severných). Ideálne je osadiť celú južnú plochu oknami, pokiaľ tomu nebráni požiadavka v tab. 3, že stredná hodnota súčinitela prestupu tepla celého domu musí byť U_em ≤ 0,22 W/(m²K).

Tvar, orientácia a usporiadanie domu

Rozhodný parameter pasívneho domu je potreba energie na vykurovanie tepla vztiahnutá na jeden m2 vykurovanej podlahovej plochy, ktorá v programe ZÚ nesmie prevýšiť 20 W/(m²rok). Pretože potreba tepla závisí na celkovej vonkajšej ploche domu, budeme logicky hľadať tvar budovy a jej vnútorné usporiadanie, aby vykurovaná podlahová plocha bola v porovnaní s celkovou vonkajšou plochou čo najväčšia.

Možností, ako pracovať s tvarom a podlahovou plochou, je doslova neúrekom. Nasledujúci príklad približuje len základné geometrické relácie ovplyvňujúce určenie pasivity domov.

Príklad 3: Prízemný dom v tvare kvádra zastavanej plochy 7×12 m a výšky 3,5 m má vnútornú podlahovú plochu 66 m². Pomer P podlahovej plochy ku ploche vonkajšieho plášťa domu je P = 0,219. Pri mernej spotrebe energie na vykurovanie 29 W/(m²rok) tak jedným m² plášťa uniká 29×0,219 = 6,35 W/(m²rok) tepla zo zdrojov.

Dvojposchodový dom pri rovnakej zastavanej ploche a výške 6,5 m s plochou podláh 132 m² má už P = 0,318 – teda o 45 % väčší. Pri rovnakej mernej strate vykurovaného tepla plášťom 6,35 W/(m²rok), čo platí len približne, je možné spätne odhadnúť mernú potrebu vykurovacej energie na cca 6,35÷0,318 ≈ 20 W/(m²rok). Priblížili sme sa tak pasívnemu domu.

Ak sa podarí navyše stenšiť obvodovú stenu pri zachovaní izolačných účinkov (voľbou lepšieho izolantu alebo stenového systému), zväčšíme tým podlahovú plochu. V prípade nášho poschodového domu 7×12×6,5 m znamená stenšenie obvodových stien z 50 na 40 cm zvýšenie pomeru na P = 0,335. Odhad rozhodného parametra je 6,35÷0,335 ≈ 19 W/(m²rok) mernej spotreby energie na vykurovanie.

Zatienenie južných okien v letných mesiacoch pomocou presahu strechy

Pasívny dom a pestrosť riešení

Slnečné pasívne domy, ako boli popísané, nie hneď každého fascinujú. Dôvodom sú práve tepelné zisky zo slnečného žiarenia, kvôli ktorým orientujeme dom tak, aby sa ho oknami dostalo dovnútra čo najviac. V novembri, decembri a januári to istotne príde vhod, ale čo so slnečnými ziskami od mája do septembra?

Ďalší otáznik vyvolávajú výpočty podľa priemerných mesačných teplôt, ktoré uvádza TNI. Napr. pre január to je –1 °C. Ako sa ale budeme v PD cítiť, ak v zime príde arktická vlna s nočnými teplotami siahajúcimi až k –30 °C alebo v lete ak sa dostaví vlna horúčav s teplotami k 35 °C? Budeme potrebovať výkonné vykurovacie zariadenie pre zimu a v lete chladenie?

Odpoveď na druhú otázku je jednoduchá. Pri najvyššej dovolenej hodnote strednej hodnoty súčinitela prestupu tepla U_m = 0,22 W/(m²K) nášho poschodového PD z príkladu 3 a celkovej ploche obálky 415 m² budeme pri priemernej dennej teplote –15 °C potrebovať k dosiahnutiu vnútornej teploty 20 °C tepelný príkon necelých 3,2 kW, v ktorom sú zahrnuté aj vnútorné tepelné zisky okolo 600 W pre päťčlennú rodinu. Najliehavejšou sa skôr javí otázka letných ziskov.

Nie je problém dom vykúriť, ale udržať chladný

Úmyselne zväčšenou plochou južných okien by mohli v letných mesiacoch vnikať dovnútra až dvojnásobné množstvá žiarivej energie, než v zime. K tomu je potrebné pripočítať zisky oknami, ktoré mieria na východ a západ a ktoré sú v lete prakticky rovnaké s južnými. Okrem iného to plynie aj z predpisu TNI [1]. Je dobré si tiež uvedomiť, že prestup tepla nie je nezávislý na slnečnom žiarení.

Časť slnečného žiarenia, ktoré neprejde oknami dovnútra ako solárny zisk g, je absorbované zasklením, ktoré sa v dôsledku toho ohrieva. Ak stúpne povrchová teplota vnútornej strany zasklenia na úroveň vnútornej teploty alebo vyššej, stratový tok tepla prestupom skrz okna sa zastaví, resp. obráti smer – a okná začnú „kúriť“. V lete teda oslnené okná nielenže prepúšťajú mohutný nadbytok slnečného žiarenia, ale ohrievajú sa na 40 °C a viac a vykurujú. Možnosti, ako sa pred tým ochrániť, sú v zásade štyri:

• Použiť tieniace prvky s automatickým pohonom (žalúzie, rolety, okenice) na vonkajšej strane, ktoré okamžite reagujú, keď na ne zasvieti slnko.
• Okná vybaviť špeciálnym zasklením, ktoré neprepustí infračervenú a krátkovlnnú zložku slnečného žiarenia. S tým ale stratíme aj časť viditeľného priestoru a to znamená zväčšiť okná.
• Zaviesť chladiacu sústavu, ktorá bude slnečné zisky pasívneho domu prečerpávať späť von.
• Posledným, ale ideálnym riešením tohto problému sú severne orientované okná.

Bod 4 ale mnoho odborníkov považuje za chybu. Argumentujú, že sa tým pripravíme o zimné zisky, čo musíme inde dohnať. Napr. zosilnením tepelnej izolácie, znížením plochy okien a pod. Ďalším argumentom sú zdravotné ohľady alebo varovania pred znížením pobytovej pohody.

Zástancovia severných okien považujú výhrady za prehnané a tvrdia, že voľba má naopak pozoruhodné výhody. Investor ušetrí za drahú a občas aj poruchovú automatickú tieniacu techniku. Neriešia rušivé oslnenie priamym slnkom, ani odvádzanie prebytkov tepla.

Dobrý návrh okien a vnútorná dispozícia zaistia výborné prirodzené osvetlenie aj zo severnej strany. Pri daždivej oblohe nie je rozdiel medzi južným a severným oknom. Avšak ak vysvitne slnko, potom pohľad na oslnenú scénu za severnými oknami je príjemný. Ešte viac v lete, pretože nie je potreba zatemňovať dom. Slnečné svetlo, odrazené k severným oknám od budov, stromov a ďalších krajinných prvkov alebo rozptýlené od oblohy, zaistí výborné a pre oči príjemné osvetlenie.

Literatúra a zdroje:

[1] Zjednodušené výpočtové hodnotenie a klasifikácie budov s veľmi nízkou potrebou tepla na vykurovanie – Rodinné domy, Technická normalizačná informácia TNI 0329, Úrad pre technickú normalizáciu, metrológiu a skúšobníctvo, 2009.
[2] Jiří Šála: Tepelná ochrana budov pre nízkoenergetické a pasívne domy – podpora v ČSN 73 0540, Tepelná ochrana budov 3/2009, str. 21.
[3] Vydýchaný vzduch v byte a ako správne vetrať, , http://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/vydychany-vzduch-a-jak-vetrat/
[4] Svetelná účinnosť zdrojov svetla (žiarovky, kompaktnej žiarovky, výbojky a ďalších,, www.stavebnictvi3000.cz/c2489.
[5] Účinný podiel sklonitej plochy voči celodennému slnečnému žiareniu,, http://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/denni-zisky/