Při návrhu nových budov a rekonstrukcí stávajících budov je třeba zohlednit také technická zařízení budov, která by měla zajistit snížení poptávky po energii a materiálech, využití obnovitelných zdrojů energie a minimalizaci potřeby klimatizace bytových a nebytových prostorů. Udržitelný návrh a koncept budov se netýká pouze stavebních materiálů a konstrukcí.

Z celé škály obnovitelných zdrojů energie jsou v rámci budov využitelné zejména technologie využívající sluneční energii a energii biomasy. Ostatní druhy obnovitelné energie, větrná a vodní se v budovách uplatní pouze zprostředkovaně – pokud je součástí mixu nakupované energie.   V případě biomasy se jedná především o pevná paliva (palivové dříví, dřevní brikety a pelety), bioplyn a další biopaliva se v budovách přímo také obvykle neuplatní.  Je možné, že se v budoucnu prosadí kogenerační jednotky na bázi palivových článků, které mohou využívat biopaliva.

Energii okolního prostředí, která je využívána pomocí tepelných čerpadel je v tomto ohledu nutno zařadit mezi technologie zvyšující energetickou efektivnost, ale není obnovitelným zdrojem v pravém slova smyslu.

Aktuálně je však v případě rodinných domů rozumné uvažovat o instalaci těchto obnovitelných zdrojích energie (OZE):

  • Kotel na dřevo, či dřevní biomasu
  • Solární termické kolektory pro přípravu teplé vody
  • Fotovoltaický systém pro okamžitou dodávku či s akumulací (v teplé vodě či v bateriích)
  • Tepelné čerpadlo – při uvážení omezené definice OZE viz výše

Proč má smysl instalovat OZE

Charakteristické vlastnosti obnovitelných zdrojů

+ možnost ekologického využívání
+ nevyčerpatelnost, schopnost regenerace
+ zpravidla nízké relativní provozní náklady

- malá plošná koncentrace, nízká „hustota“ energie
- nestejnoměrné územní rozložení
- proměnlivá intenzita během dne, roku
- vyšší či vysoké relativní investiční náklady

Hlavní důvody instalace obnovitelných zdrojů energie

Růst cen energie

  • Částečná nebo úplná soběstačnost – porucha dodávky v dodávce energie, blackout
  • Zodpovědný přístup investora k omezení změny klimatu a lokálního znečištění
  • Splnění legislativních požadavků

Fotovoltaika

Fotovoltaické systémy slouží k přeměně slunečního záření na elektrickou energii. V současné době je ekonomicky nejvýhodnější instalovat systémy s polykrystalickými fotovoltaickými články.

Rozdělení fotovoltaických systémů dle připojení k distribuční síti:

  • systémy připojené k distribuční síti (grid-on)
  • systémy ostrovní (grid-off)
  • systémy hybridní s akumulací

Výhodou systémů připojených k distribuční síti je fakt, že veškerá vyrobená elektrická energie je využita (přebytky, které není možné v objektu využít, jsou prodávány do distribuční sítě). Tyto systémy nevyžadují instalaci finančně nákladných akumulátorů.

Ostrovní systémy se využívají především v objektech, které není možné připojit k distribuční síti.

Hybridní systémy jsou kombinací dvou výše uvedených systémů (většina elektrické energie je využita v objektu). Investiční náklady do tohoto systému jsou však vyšší, jelikož je třeba instalovat akumulátory elektrické energie. Hlavní výhodou tohoto systému je značná nezávislost připojeného objektu na dodávce elektrické energie ze sítě (objekt je schopný v omezeném režimu fungovat i v případě kolapsu energetické soustavy).

Pro optimální návrh fotovoltaické elektrárny je nutné znát následující vstupní parametry:

  • předpokládanou celkovou roční spotřebu elektrické energie objektu
  • předpokládané rozložení spotřeby elektrické energie v jednotlivých měsících a dnech
  • možnosti umístění, orientace vůči světovým stranám, sklon a stínění FVE
  • plánované budoucí rozšíření fotovoltaické elektrárny (vhodné dimenzovat prvky systému na budoucí rozšířený výkon fotovoltaické elektrárny – především se jedná o velikost střídače napětí, jehož investiční náklady tvoří cca 1/3 z celkových nákladů systému)

Jelikož prodej elektrické energie do distribuční sítě je v současné době stále značně nevýhodný (za 1 MWh elektrické energie je možné v průměru získat pouze 500 Kč), je vhodné fotovoltaický systém dimenzovat tak, aby byla většina elektrické energie spotřebována v objektu (vhodným způsobem akumulovat přebytky v objektu). Tuto nevýhodu do budoucna pravděpodobně odstraní tzv. net-metering (virtuální baterie). Jedná se o princip využívání distribuční soustavy jako akumulátoru – nevyužitá elektrická energie je dodávána do sítě a majitel fotovoltaiky platí pouze za spotřebu elektrické energie, kterou si sám nevyrobil (rozdíl mezi dodávkou z distribuční sítě a vyrobenou elektřinou dodanou do sítě).

Schema funkce fotovoltaického systému s bojlerem, fyzickou a virtuální baterií (ilustrace e-ON)

(1) Fotovoltaické panely vytváří ze slunečních paprsků stejnosměrný proud. (2) Ten vstupuje do střídače, kde se změní na střídavý, který se běžně využívá v domácnostech. (3) Všechny údaje o vyrobené a spotřebované energii jdou online do Virtuální baterie. (4) Domácnost spotřebovává vyrobenou elektřinu. (5) Přebytek energie, který nestihnete využít, se díky řízení spotřeby ukládá do bojleru, do fyzické baterie nebo do obou zásobníků. (6) Zbytek energie se ukládá do Virtuální baterie. Z té se pak energie čerpá ve chvíli, kdy je potřeba.

Správně navržený fotovoltaický systém (jižní orientace, sklon 35 až 45°, žádné stínění) vyrobí/ušetří ročně cca 150 kWh elektrické energie na 1 m2 (resp. 960 kWh/1 kWp instalovaného výkonu) instalované plochy fotovoltaického systému.

Cena fotovoltaické elektrárny bez baterií se pohybuje cca od 40 000 do 45 000 Kč s DPH za 1 kWp (špičkový instalovaný výkon). Cena FVE s bateriemi se pohybuje cca od 65 000 do 80 000 Kč s DPH za 1 kWp.

Návratnost investice do správně navržené fotovoltaické elektrárny je závislá na ceně nahrazované energie. V nejlepším případě je u rodinných domů nahrazována elektrická energie v sazbě D 02d, jejíž cena se v současné době pohybuje okolo 4 500 Kč s DPH/MWh. Prostá doba návratnosti FV systému se u varianty bez baterií pohybuje okolo 12 let a v případě varianty s bateriemi okolo 18 let.

Na instalaci fotovoltaické elektrárny lze v případě rodinných domů získat v současné době finanční podporu z dotačního programu Nová zelená úsporám, jež může pokrýt až 50 % investičních nákladů.

Solární termické kolektory

Solární kolektory / fototermické systémy slouží především k ohřevu teplé vody. Standardně se návrh solárních kolektorů v rodinných domech provádí na pokrytí cca 40 až 60 % energie na ohřev teplé vody. Jelikož je obdobně jako u fotovoltaických systémů výroba energie solárních kolektorů vyšší v letních měsících, je nutné v objektu instalovat záložní zdroj tepla, který bude ohřívat teplou vodu v zimním období.

Správně navržené solární kolektory (jižní orientace, sklon 40 až 45°, žádné stínění) vyrobí/ušetří ročně cca 500 až 600 kWh energie na ohřev teplé vody na 1 m2 instalované plochy solárního systému. Účinnost solárních kolektorů je oproti fotovoltaickým systémům cca 3 až 4 krát vyšší (pro umístění solárních kolektorů je tedy potřeba 3 až 4 krát menší plocha). Při návrhu termických systémů je vhodné v co největší míře redukovat délku rozvodů mezi solárními kolektory a zásobníkem teplé vody a tím zabezpečit nízké tepelné ztráty.

Cena solárních kolektorů se v současné době pohybuje cca od 15 000 do 25 000 Kč s DPH na 1 m2 kolektorové plochy. Do běžného rodinného domu, ve kterém se nachází 4 osoby, je vhodné instalovat solární kolektory o ploše cca 6 až 8 m2. Při optimální orientaci a sklonu solárních kolektorů (jih, 45°) je tento systém schopen ročně vyrobit cca 3 500 kWh tepelné energie. Investiční náklady do tohoto systému se v současnosti pohybují od cca 120 000 Kč s DPH do 150 000 Kč s DPH.

Návratnost investice do takto navržených solárních kolektorů je obdobně jako u fotovoltaických systémů závislá na ceně nahrazované energie.

Na instalaci solárních kolektorů lze v případě rodinných domů získat v současné době finanční podporu z dotačního programu Nová zelená úsporám, jež může pokrýt až 50 % investičních nákladů.

Provoz solární termické soustavy se neobejde bez následujících minimálních nákladů na údržbu:

  • výměna teplonosné kapaliny 1x za 5 let (cca 40 až 80 Kč/litr)
  • výměna tepelné izolace v exteriéru (cca 60 až 150 Kč/metr)
  • výměna filtru (cca 100 Kč)

V případě dodatečné instalace solární termické soustavy je třeba ve většině případů počítat s instalací nového zásobníku teplé vody, na který bude možné napojit solární kolektory.

Zdroje tepla spalující biomasu

V rodinných domech je nejvýhodnější využít především zdroje tepla spalující dřevní hmotu (kusové dřevo, dřevěné brikety, štěpku, pelety). Hlavními výhodami těchto zdrojů tepla je především dostupnost a cena paliva. Zdroje tepla spalující kusové dřevo lze provozovat i v případě kolapsu energetické soustavy.

Hlavní nevýhodou těchto zdrojů tepla je nutnost vyčlenit si v rodinném domě prostor na skladování paliva (prostorově náročné je především kusové dřevo, jež je vhodné skladovat alespoň dva roky, aby se zbavilo nadbytečné vlhkosti). Dále je nutné počítat se skutečností, že uživatel bude nucen do zdroje či zásobníku manuálně doplňovat palivo (dřevo, pelety). Tyto zdroje tepla jsou tedy nevhodné pro uživatele, kteří požadují automatický provoz technických systémů bez jakékoli manuální obsluhy. V případě instalace automatického dopravníku paliva je nutné počítat s dalším navýšením potřebného prostoru pro instalaci zdroje tepla.

Orientační současné ceny paliva:

  • štěpka                         900 Kč/MWh
  • kusové dřevo              1 000 Kč/MWh
  • dřevěné pelety           1 300 Kč/MWh
  • dřevěné brikety          1 400 Kč/MWh

Tepelná čerpadla

Tepelné čerpadlo využívá energii prostředí, ale samo o sobě není obnovitelným zdrojem, jedná se spíše o technologii v oblasti úspor energie. Tepelné čerpadlo je zařízení, které odebírá teplo z okolního (venkovního) prostředí, přeměňuje ho z tepla nízkopotenciálního na vysokopotenciální a to využívá k vytápění objektu či k přípravě teplé vody. Zjednodušeně lze konstatovat, že klasické kompresorové tepelné čerpadlo dodá do objektu 2 až 6 krát více energie než samo spotřebuje (účinnost tepelného čerpadla se tedy pohybuje v rozmezí 200 až 600 %).

Tato účinnost neboli topný faktor tepelného čerpadla je závislá na rozdílu teploty nízkopotenciálního zdroje tepla a teploty topného okruhu. Nejvyššího topného faktoru lze tedy dosáhnout v případě instalace podlahového vytápění o návrhové teplotě otopné vody od 30 do 35 °C.

Dle nízkopotenciálního zdroje tepla lze tepelná čerpadla rozdělit na následující tři základní typy:

  1. Tepelné čerpadlo vzduch/voda (nejlevnější, nejnižší účinnost)
  2. Tepelné čerpadlo země/voda (dražší, vyšší účinnost)
  3. Tepelné čerpadlo voda/voda (nejdražší, nejvyšší účinnost)

Na trhu jsou k dispozici také tepelná čerpadla poháněná zemním plynem, která však v současné době nejsou vhodná k instalaci do rodinných domů z důvodu vysokého topného výkonu (cca 18 kW).

Správný návrh rodinného domu, ve kterém bude využito jako hlavní zdroj tepla na vytápění tepelné čerpadlo, musí začít v minimalizaci tepelných ztrát objektu. Čím nižší bude tepelná ztráta rodinného domu, tím nižší teplotu otopné vody můžeme v objektu použít. Tímto způsobem dosáhneme nižších investičních nákladů do tepelného čerpadla (tepelné čerpadlo o nízkém topném výkonu) a zároveň nižších provozních nákladů (vysoký topný faktor tepelného čerpadla).

Potřeba tepla je v rodinném domě nejvyšší v zimních měsících, ve kterých však nejčastěji využívané tepelné čerpadlo vzduch/voda pracuje s nejnižší účinností (topným faktorem) a současně dosahuje nejnižšího topného výkonu. Zároveň je třeba zdůraznit, že venkovní teploty cca pod -5 °C se v České republice vyskytují pouze 600 hodin ročně. Dimenzování tepelného čerpadla na venkovní návrhovou teplotu (-13 až -18 °C dle lokality) je tedy ekonomicky neefektivní. Z těchto důvodů je vhodné systém s tepelným čerpadlem doplnit dalším zdrojem tepla (tzv. bivalentní zdroj), který bude zcela či částečně pokrývat tepelnou ztrátu objektu v období, kdy venkovní teplota dosahuje hodnot pod -5 °C. Standardně se jako bivalentní zdroj používá elektrokotel (některá tepelná čerpadla jsou dodávána již se zabudovaným elektrokotlem), jelikož v rodinných domech s tepelnými čerpadly není zpravidla zaveden jiný zdroj než elektrická energie (úspora investičních nákladů z důvodu absence plynovodní přípojky).

Výhodou instalace tepelného čerpadla je možnost odběru elektrické energie v sazbě D 56d (dvoutarifová sazba pro vytápění s tepelným čerpadlem a operativním řízením doby platnosti nízkého tarifu po dobu 22 hodin). Hlavní podmínkou pro možnost uplatnění sazby D 56d je instalace tepelného čerpadla, jehož topný výkon kryje minimálně 60 % tepelné ztráty objektu. Vhodné je zdůraznit, že tato sazba je v rodinném domě využívána při odběru elektrické energie sloužící k provozu veškerých elektrických spotřebičů (osvětlení, vzduchotechnika, domácí spotřebiče atd.).

Cena elektrické energie při použití sazby D 56d se pohybuje okolo 2 500 Kč s DPH/MWh. Pokud vezmeme v úvahu účinnost (topný faktor) tepelného čerpadla, můžeme dosáhnout při správném návrhu i průměrné roční ceny tepla na vytápění okolo 550 Kč s DPH/MWh v případě tepelného čerpadla země/voda nebo 800 Kč s DPH/MWh v případě tepelného čerpadla vzduch/voda.

Shrnutí

  1. Možnosti využití obnovitelných zdrojů v rodinných domech jsou omezeny na několik praxí prověřených technologií
  2. Jedná se o fotovoltaické elektrárny, termosolární kolektory a kotle na biomasu
  3. Někdy je do této kategorie zařazováno také tepelné čerpadlo, které může být při vhodné instalaci vysoce efektivním zdrojem energie, resp. technologií snižující energetickou náročnost domu;
  4. Využití obnovitelných zdrojů je podstatné i s ohledem na požadavky právních předpisů, požadavky na podíl OZE bude narůstat
  5. Využití OZE má však i význam pro částečnou energetickou soběstačnost a ve většině uvedených případů je i ekonomické a to nejen při zohlednění potenciální dotace