Spotřeba elektrické energie domácností, predikce a potenciální úspory pomocí BACS

1 ÚVOD

Změna klimatu a rostoucí nedostatek zdrojů je velmi diskutovaným tématem dnešní doby. Navíc, mnoho zemí po celém světě, je závislých na dovozu energií - v EU například, se dováží 50% dnes spotřebovávané energie. Do roku 2030 by dovážené množství energie mělo dosáhnout 70%. Efektivní a udržitelné využívání energie je proto naléhavou nutností - plně v souladu s mottem vytvořeným Evropskou komisí - "Méně je více". [3]

Vedle dopravy a průmyslu je dalším největším spotřebitelem energie provoz budov. Topení, chlazení a osvětlení obytných a nebytových budov spotřebuje v technologicky vyspělých státech přibližně 40 % veškeré energie, což je podíl, který vyžaduje velkou pozornost.
Na evropské úrovni byla v roce 2002 vydána směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2002/91/EC, roku 2010 nahrazena směrnicí 2010/31/EU, o energetické náročnosti budov, jejímž hlavním požadavkem je snížení spotřeby energie v budovách. Pro její implementaci byla vydána řada evropských norem, např. EN 15232 Energetická náročnost budov – Vliv automatizace, řízení a správy budov. V České republice byla směrnice implementována Zákonem č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií a Vyhláškou 148/2007 o energetické náročnosti budov.

Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií mimo jiné vyžaduje, aby splnění požadavků na energetickou náročnost budovy doložil stavebník, vlastník budovy nebo společenství vlastníků jednotek průkazem energetické náročnosti při:

1. výstavbě nových budov,
2. větších změnách dokončených budov s celkovou podlahovou plochou nad 1 000 m², které ovlivňují jejich energetickou náročnost,
3. prodeji nebo nájmu budov nebo jejich částí, jde-li o případy podle písmene a) nebo b)

Provozovatelé budov využívaných pro potřeby škol-ství, zdravotnictví, kultury, obchodu, sportu, ubytovacích a stravovacích služeb, zákaznických středisek odvětví vodního hospodářství, energetiky, dopravy a telekomunikací a veřejné správy o celkové podlahové ploše nad 1 000 m2 musí umístit průkaz na veřejně přístupném místě v budově. [6]

Obr. 1 Spotřeba domácností v EU (rok 2000-2009) [3]

Dříve platilo, že nejvíce energie v domácnosti se spotřebuje na vytápění a na ohřev užitkové vody. To stále ještě ve většině případů platí, ale v posledních letech se rozdíl mezi spotřebou energie na vytápění a ohřev vody a spotřebou energie na provoz elektrických spotřebičů v domácnosti snižuje. Je to zčásti dáno tím, že nové nebo při rekonstrukci zateplené domy mají často poloviční nebo třetinové tepelné ztráty, zatímco účinnosti domácích spotřebičů rostou jen pomalu a navíc spotřebičů v domácnostech stále ještě znatelně přibývá. Výsledkem je, že přibývá domácností, kde se za elektřinu na běžný provoz (ostatní elektrické spotřebiče) platí ročně pomalu stejně peněz jako za vytápění.

Na Obr. 1 je patrné, že spotřeba elektrické energie domácností v EU má trvale rostoucí trend. Tento graf je definován jako množství elektřiny spotřebované v domácnostech. Spotřeba domácností se vztahuje na všechny spotřeby elektřiny pro vytápění a ohřev vody, a všechny elektrické spotřebiče.

Společné výzkumné centrum Evropské komise zveřejnilo studii, podle níž mezi lety 1999-2004 rostla spotřeba elektrické energie stejným tempem jako hospodářský růst. Tím je z větší části kompenzován efekt opatření přijatých na zvyšování energetické účinnosti. V uvedeném období došlo k vzestupu spotřeby elektrické energie o 11 % v domácnostech, o 16 % v sektoru služeb a o necelých 10 % v průmyslu. [2]

2 SPOTŘEBA ELEKTRICKÉ ENERGIE V DOMÁCNOSTECH

Růst spotřeby v domácnostech lze vysvětlit jednak stále ještě rozsáhlým používáním starších neefektivních spotřebičů, ale také růstem počtu elektrických spotřebičů. Dnes má již řada domácností dvě až tři televize, chladničky a mrazničky a stále více se setkáváme se sušičkami na prádlo nebo klimatizací. Navíc roste i počet rodinných domů a velkých bytů (roste obytná plocha). Je zde zajímavý rozdíl mezi trendem spotřeby energie na vytápění a spotřebou energie na provoz domácích spotřebičů. V posledních letech došlo k poměrně výraznému zpřísnění norem pro tepelné vlastnosti budov a tedy i odpovídajícímu snížení spotřeby energie na vytápění nově postavených nebo rekonstruovaných domů. Spotřeba elektrické energie na běžný provoz v domácnostech naopak ale vzrostla.

Dle průměrných hodnot zdrojů [2], [3], [8] a [9] je spotřeba elektrické energie v domácnostech členěna následovně:

Obr. 2 Grafické rozdělení spotřeby elektrické energie v domácnostech

Každá domácnost je samozřejmě jiná. Liší se nejen velikostí a typem obytného prostoru, počtem osob, vybavením elektrospotřebiči, ale i svým životním stylem. Tomu odpovídá i rozmezí jednotlivých hodnot v předchozí tabulce. Rodina bydlící v osamoceném rodinném domku bude mít pravděpodobně vyšší poměr spotřeby energie na vytápění než stejná rodina bydlící ve stejně velkém bytě.

2.1 Predikce spotřeby elektrické energie v domácnostech

Predikce spotřeby elektřiny je vytvářena odděleně pro dvě sféry spotřeby: výrobní sféru a sféru domácností. První se odráží od predikcí ekonomického vývoje na makroekonomické úrovni, druhá využívá demografických projekcí, zejména projekcí počtu domácností.

Aktuální předpoklady, relevantní přímo pro predikce spotřeby elektřiny maloodběru obyvatelstva – domácností, je možné shrnout do následujících několika bodů [2]:

• spotřeba elektřiny jedné domácnosti bude v dlouhodobém horizontu narůstat přibližně na průměrnou úroveň zemí E27
• predikce předpokládají výrazné úspory energie na vytápění, související se snižováním energetické náročnosti budov
• předpoklad úspor souvisejících se změnou využívání – mírné snížení nároku na využití
• v predikcích je dále zahrnut předpoklad úspor souvisejících s kontinuální obnovou elektrických spotřebičů, resp. navyšováním jejich energetické účinnosti
• množství a využití elektrických spotřebičů v do-mácnostech nadále a trvale poroste, což bude mít za následek zvyšování spotřeby nejen v subsektoru ostatní spotřeby, ale i celkově

Mezi roky 2009 a 2040 předpokládá predikce dle referenčního scénáře následující úspory spotřeby elektřiny [2]:

• elektrické vytápění – pokles měrné spotřeby o 22 %
• ohřev TUV – pokles měrné spotřeby o 18 %
• ostatní spotřeby – pokles energetické náročnosti o 7%, celková měrná spotřeba vzroste o 29 %

Obr. 3 Predikce spotřeby elektrické energie domácností v ČR [2]

V souladu s uvedenými údaji je možno konstatovat několik charakteristik předkládaných predikcí spotřeby tuzemské netto spotřeby:

• referenční scénář předpokládá v roce 2040 hodnotu tuzemské spotřeby ve výši 77,8 TWh s pásmem ± 9,4 TWh
• scénáře předpokládají nárůst tuzemské netto spotřeby do roku 2040 o 19 % (nízký), 36 % (referenční) a 52 % (vysoký) vzhledem k hodnotě roku 2009

2.2 Úspory elektrické energie v domácnostech

V roce 2010 byla schválena přepracovaná směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2010/31/EU o energetické náročnosti budov, která dále zpřísňuje požadavky na energetickou náročnost budov. Již od roku 2013 musí členské státy EU zajistit, aby nové budovy plnily minimální požadavky na energetickou náročnost budov. Také stávající budovy procházející větší rekonstrukcí budou muset tyto minimální požadavky plnit. Nejpozději od roku 2019 pak budou muset být všechny nové budovy užívané a vlastněné orgány veřejné moci budovami s téměř nulovou spotřebou energie. Nejpozději od roku 2021 se tento požadavek bude týkat všech nových budov. V České republice se však plánuje, že přísnějšími požadavky se nové budovy nebudou řídit až od roku 2019, resp. 2021. Bude zvoleno postupné zavádění do praxe, přičemž první vlna zpřísnění požadavků přijde pravděpodobně již v roce 2015.

Současný světový trend je charakterizován podpo-rou energeticky účinných technologií. Evropská norma EN 15232 (Energetická náročnost budov – Vliv automatizace, řízení a správy budov) byla zpracována v úzké návaznosti na evropskou směrnici 2010/31/EU, kterou se nahrazuje 2002/91/EC, o energetické náročnosti budov. Norma uvádí metody pro vyhodnocení vlivu automatizace budov a technického řízení budov na energetickou spotřebu budov.

Za tím účelem byly zavedeny čtyři třídy energetické účinnosti (A až D). Jakmile je budova vybavena systémy automatizace a řízení, je přiřazena k jedné z těchto tříd. Potenciální úspory tepelné a elektrické energie je možno vypočítat pro každou tuto třídu podle typu budovy a jejího účelu. Hodnoty energetické třídy C jsou pak využívány jako referenční hodnoty pro porovnání účinnosti.

Obr. 4 Třídy energetické náročnosti budov [4], [7]

Energetická náročnost budov

Není totiž žádoucí stavět nové objekty nejen nedostatečně tepelně izolované, ale také nevybavené dokonalými řídicími systémy, zabezpečujícími velmi hospodárné řízení spotřeby energií, tedy maximálně zabraňujícími zbytečné spotřebě energie.

Při optimalizaci energetické náročnosti budov jsou možné různé koncepce a přístupy. V tomto kontextu, využití inteligentních budov poskytuje osvědčenou a zajímavou alternativu nebo doplňkem, u kterého je možné porovnat poměr nákladů a výnosů. Energetické i finanční posouzení podobné investice je třeba provádět vždy individuálně pro příslušnou budovu. V kalkulaci energetických úspor hrají významnou roli faktory jako orientace budovy ke světovým stranám, velikost oken, barva vnitřního vybavení místností, chování lidí v budově a další. Od toho se odvíjí též finanční analýza investice, do níž výrazně promlouvá též použitý typ osvětlení nebo zdroj vytápění.

2.3 Potenciální úspory elektrické energie s využitím systémových elektroinstalací

O tom, zda v právě projektovaném komerčním a podobném objektu bude využita systémová elektrická instalace, lze rozhodnout zcela jednoduše v závislosti na tom, do které ze tříd podle energetické náročnosti podle Obr. 4 (v souladu se směrnicí 2010/31/EU) má být objekt zařazen.

V bytových objektech je nutné nejdříve co nejpodrobněji popsat činnosti všech funkcí použitých v budově a teprve poté lze rozhodnout, zda použít některý z řídicích systémů. Nejde přitom pouze o obvyklé funkce, mezi něž patří spínání a stmívání osvětlení, včetně vytváření scén, řízení vytápění, ventilace a klimatizace, včetně časových a jiných programů, řízení provozu stínicí techniky, oken a dveří, spínání zásuvkových a jiných silových okruhů, ale také o spolupráci s mnoha dalšími oblastmi funkcí.

O tom, o kolik různých, dosud většinou nezávisle projektovaných a používaných systémů může jít, si lze udělat alespoň přibližnou představu na základě těchto příkladů – výtah z normy [4]:

• elektronický systém zabezpečení budovy,
• elektronický požární systém,
• systém řízení audio- a videotechniky,
• řízení vzdálených přístupů,
• měření spotřeby elektrické energie, plynu, vody, tepla apod. a předávání měřených údajů k fakturaci,
• řízení výroby tepla pro vytápění nebo chlazení,
• provoz sauny a bazénová technologie,
• hospodaření s dešťovou vodou a zalévání zahrady,
• fotovoltaické a jiné zdroje elektrické energie, tepelná čerpadla,
• přístupové a docházkové systémy,
• kamerové systémy, domácí telefon a elektrický vrátný aj.

Podrobnější výpis funkcí a přiřazení do tříd energetické účinnosti viz Tab. 4.
Čím větší náročnost na počty těchto oblastí funkcí je požadována, za předpokladu co nejjednoduššího ovládání a maximální efektivity při využití energie, tím výhodněji se jeví využití systémové instalace a dílčích systémů s možností plné komunikace na základě otevřených komunikačních protokolů (KNX, LON apod.).

Ústav budov a energetických systémů, který je součástí Univerzity aplikovaných přírodních věd v Biberachu a specializuje se na automatizaci budov, provedl v roce 2008 rešerši literatury na téma „Potenciál úspor energie s využitím moderních elektrických instalací“. Pod vedením Prof. Dr. Ing. Martina Beckera byly prostudovány hlavní literární zdroje, s výsledkem orientovaným na zjištění potenciálu úspor energie. Studie byla zadána Centrálním svazem elektrotechniky a elektronického průmyslu (ZVEI).

Široký rozptyl uváděných hodnot v určitých oblastech je možno připsat celé řadě faktorů – aplikacím zahrnujícím vícero funkcí, provoznímu charakteru příslušných zkoušek, rozdílu v definici různých funkcí atp. Přesto závěr výzkumu jasně prokazuje, že inteligentní řízení budov může významně přispět ke zvýšení energetické účinnosti budov. Celkově se při realizaci opatření vedoucích k optimalizaci řízení technologií v budovách pohybují průměrné hodnoty energetických úspor v rozpětí 11 až 31 %. [1]

Příslušné horní a spodní střední hodnoty snížení spotřeby energie, tak jak byly zaznamenány ve studii pro ZVEI, vidíme v následujícím grafu, Obr. 5.

3 ZÁVĚR

Vědecké studie a praktická měření naznačují vysoký potenciál úspory energií v případě použití sběrnicové technologie při automatizaci zařízení v prostorách a budovách. Pojmem „optimalizace spotřeby energie v budovách“ se dle [1] v zásadě rozumí:

• energie je spotřebovávána pouze v době, kdy je to skutečně nutné
• je spotřebováno pouze aktuálně požadované množství energie
• spotřebovaná energie je využita s nejvyšší účinností

Nová legislativa v této oblasti napomáhá k efektivnímu využití těchto nových technologií. V Evropě jsou kritéria energetické účinnosti v budovách stanovena evropskou normou EN 15232. Základem vyhodnocení efektivity je zařazení automatizačních a řídicích systémů do tříd A až D. Další požadavky jsou zapracovány ve směrnicích EU a ve vyhláškách a zákonech ČR, viz zdroje [5], [6], [7].

Hlavní směrnice EU pro energetickou náročnost budov, optimalizaci a snižování spotřeby elektrické energie uvádí řadu nových požadavků. Jedněmi z nejdůležitějších jsou termíny na realizaci budov s téměř nulovou potřebou energie:

• veřejné budovy od 1. 1. 2019
• ostatní budovy od 1. 1. 2021

O tom, že je téma úspor elektrické energie v jak ve veřejných budovách tak i domácnostech, svědčí i fakt, že vláda ČR na svém zasedání dne 29.2.2012 schválila znění novely zákona č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií platné od 1. ledna 2013. Návrh zákona ve znění dle přílohy bude v následujícím období projednáván v Parlamentu.

PODĚKOVÁNÍ

The research was performed in Center for Research and Utilization of Renewable Energy Sources. Authors gratefully acknowledge financial support from European Regional Development Fund under project No. CZ.1.05/2.1.00/01.0014.

LITERATURA

• [1] BECKER, Martin; KNOLL, Peter. Dokumentation zur Literaturübersicht - Energieeinsparpotenzial durch moderne Elektroinstallation. Biberach : Ho-chschule Biberach, 2007. s. 1-57.
• [2] Zpráva o očekávané rovnováze mezi nabídkou a poptávkou elektřiny a plynu [online]. Praha : OTE a.s., 2011 [cit. 2011-08-17]. Dostupné z: <http://www.ote-cr.cz/o-spolecnosti/soubory-vyrocni-zprava-ote/ZOOR_2010.pdf>.
• [3] Europa [online]. 2009 [cit. 2011-11-14]. Portál Evropské unie - Publikace a dokumenty. Dostupné z: <http://europa.eu/documentation/index_cs.htm>.
• [4] ČSN EN 15232. Energetická náročnost budov - Vliv automatizace, řízení a správy budovy. Praha : Český normalizační institut, 2008. 88 s.
• [5] EU. Směrnice evropského parlamentu a rady 2010/31/EU: O energetické náročnosti budov (přepracování). In: 2010/31EU. 2010.
• [6] Zákon o hospodaření energií. In: č. 406/2000 Sb. 2006.
• [7] ČR. Vyhláška o energetické náročnosti budov. In: Sbírka zákonů č. 148/2007. 2007.
• [8] ENERGETICKÝ PORADCE PRE. Skladba spotřeby domácnosti [online]. 2008 [cit. 2012-03-13]. Dostupné z: <http://www.energetickyporadce.cz/audit-spotreby/skladba-spotreby-domacnosti.html>
• [9] ENERGY WEB. Energie v domácnosti [online]. 2009 [cit. 2012-03-13]. Dostupné z: <http://www.energyweb.cz/web/index.php?display_page=2&subitem=1&ee_chapter=6.3.2>