Simulace kancelářské budovy s variantními zdroji energií

Obr. 3 Vytápěcí a větrací jednotka ve skladových prostorách ebm papst CZ s.r.o

Příspěvek se zabývá vlivem vybraného systému HVAC (vytápění, ventilace a klimatizace) na vnitřní klima, energetickou účinnost a ekonomické nároky konkrétní výškové kancelářské budovy v Brně. Zabývá se využitím hloubkových základových prvků (pilot) dané administrativní budovy jako výměníků tepla s různými teplotními rozdíly na vytápění a chlazení.

Modelování se provádí v dynamickém celoročním simulačním software DesignBuilder 6, který používá výpočetní jádro EnergyPlus 8.9. Porovnání simulované a skutečné energetické náročnosti budovy a použití softwaru DesignBuilder je diskutováno v článku [2].

Řešená administrativní budova se nachází v jižní části Brna – viz [1, 3, 4]. Skládá se ze dvou podzemních podlaží a čtrnácti nadzemních podlaží. Podzemní podlaží slouží jako garážový prostor. Nadzemní část je tvořena převážně kancelářskými prostory, kdy typické podlaží zabírá přibližně 1 000 m2 podlahové plochy s restaurací a strojovnou.

Budova využívá energii země

Budova je navržena jako železobetonový skelet s dozdívkami obvodového pláště založený na pilotách. Původním cílem bylo postavit budovu s téměř nulovou potřebou energie [5], ten se však v realizaci nenaplnil. Tento příspěvek má posoudit jednu z možností – využívání energie země.

Zdrojem tepla pro vytápění jsou plynové kondenzační kotle. Dva jsou Broetje SGB-106 a dva Broetje SGB-250. Minimální výkon kondenzačních kotlů při teplotním gradientu 75/55 °C je 38,6 kW, maximální výkon kotlů je 677,0 kW. Teplo je přenášeno do místnosti pomocí deskových otopných těles. Kotle dodávají také ohřívače vody ve vzduchotechnické jednotce.

Obr. 1 Varianty zdrojů tepla ZVT – zemní výměník tepla, TČ – tepelné čerpadlo, K – kotel, C – chiller, VT – výměník tepla
Obr. 1 Varianty zdrojů tepla
ZVT – zemní výměník tepla, TČ – tepelné čerpadlo, K – kotel, C – chiller, VT – výměník tepla | Zdroj: archiv autorů

Zdrojem chladu jsou dva kapalinové chillery, každý se dvěma kompresorovými okruhy a samostatným vzduchem chlazeným kondenzátorem. Chladicí kapacita jednoho chladicího zdroje je 292 kW se čtyřstupňovou regulací výkonu 25/50/75/100 %.

Minimální chladicí kapacita chladičů je 73 kW a maximální kapacita je 584 kW. Kondenzátory jsou dvouokruhové s výkonem 2 x 148 kW, navržená kondenzační teplota je 50,3 °C. Nosič tepla je voda s teplotním rozdílem 6/12 °C. Chlad je distribuován do budovy pomocí ručně ovládané fan-coilu jednotky.

Provozní doba budovy je od pondělí do pátku od 7:00 do 18:00 hodin. V zimě jsou prostory během provozu vytápěny na 20 °C, mimo pracovní dobu na 16 °C. V létě jsou chlazeny na 26 °C, mimo pracovní hodiny jsou chlazeny pouze na 28 °C. 

Varianty zdroje tepla a chladu

V programu DesignBuilder 6 byl vytvořen energetický model administrativní budovy, ve kterém byly sledovány tři zóny: kancelář, chodba a restaurace (obr. 1). Stávající systém vytápění a chlazení s prioritou 2 byl doplněn tepelnými čerpadly využívajícími zemní výměník tepla priority 1 v počtu 72 kusů, délce 20 m, průměru 1 m podle následujících variant. Byly testovány různé teplotní spády otopné a chladicí vody, abychom ověřili jejich vliv na efektivnost využívání tepla země:

  • V1) ZVT+TČ, vytápění 75/55 °C a chlazení 6/12 °C.
  • V2) ZVT+TČ, vytápění 75/55 °C a chlazení 15/17 °C.
  • V3) ZVT+TČ, vytápění 45/35 °C a chlazení 12/16 °C.
  • V4) ZVT+TČ, vytápění 45/35 °C a chlazení 9/15 °C.
  • V5) ZVT+TČ, vytápění 55/45 °C a chlazení 15/17 °C.
  • V6) ZVT+TČ, vytápění 65/45 °C a chlazení 6/12 °C.
  • V7) ZVT+TČ, vytápění 45/35 °C a chlazení 15/17 °C.
  • V8) ZVT+TČ+VT, vytápění 45/55 °C a chlazení 15/17 °C.

Bylo zvoleno tepelné čerpadlo jmenovitého výkonu 15 kW pro vytápění a 7,5 kW pro chlazení tak, aby maximální teplota po celé délce potrubí v energo-pilotě (při ukládání tepla do země) nepřesáhla 16 °C. S volbou vyšších jmenovitých výkonů TČ vzroste teplota v potrubí energo-pilot.

Obr. 2 Průběh vybraných výkonů – stávající stav
Obr. 2 Průběh vybraných výkonů – stávající stav |

Výsledky

Porovnání topných a chladicích zdrojů energie během roku pro aktuální stav je znázorněno na obr. 2. Vyhodnocení vybraných variant bylo provedeno na základě ceny plynu 1,5 Kč/kWh (pro kotel) a elektrické energie 3 Kč/kWh (pro chiller, tepelné čerpadlo, čerpadla a ventilátory vzduchotechnických jednotek).

Závěr

Cílem studie je ukázat vlivy variant tepelného čerpadla voda–voda a zemního U výměníku tepla, které byly aplikovány do roční energetické simulace celé budovy kódem EnergyPlus implementovaným v softwaru DesignBuilder 6 na spotřebu energie a finanční náklady konkrétní kancelářské budovy. Dalším cílem bylo ukázat dobu, kdy v budově nebylo dosaženo požadovaného tepelného komfortu. I když jsme použili stejný způsob regulace pro dosažení tepelného komfortu, můžeme ve všech uvažovaných variantách vidět významné rozdíly.

Z dosažených výsledků vyplývá, že při spotřebě energií zdroje tepla 222 490 kWh a zdroje chladu 41 195 kWh a celkových nákladů 448 575 Kč stávajícího systému je nejvýhodnější varianta tepelného čerpadla pro vytápění i chlazení V2, kdy celkové náklady klesly o více jak 2 %, a to zejména pokud se používají režimy vysokoteplotního chlazení.

Ve variantě V8 byl ponechán teplotní spád vody z varianty V2, tedy tepelné čerpadlo na vytápění a výměník tepla pro chlazení. Pokles celkových nákladů oproti původní variantě tak činí 9 %. Dosažené výsledky potvrzují principiální efektivnost energo-pilot.

Obr. 3 Porovnání spotřeb energií
Obr. 3 Porovnání spotřeb energií | Zdroj: archiv autorů

Při původním stavu objektu, kdy začátek plného provozu vytápění a chlazení byl spuštěn se začátkem provozní doby objektu, nebylo dosaženo požadované teploty na vytápění 164 hodin a na chlazení 60 hodin. U cenově nejvýhodnější varianty V8 je největší nárůst hodin, kdy není v budově dosaženo požadovaného komfortu. Proto lze v tomto případě doporučit posunout začátek plného provozu vytápění a chlazení na dřívější hodinu a tím značně snížit počet hodin, kdy není dosaženo požadovaného komfortu v budově.

Varianty ukazují, že budova není vhodná svým velkým poměrem užitné kancelářské plochy, kterou je potřeba chladit a vytápět, vůči velikosti základových konstrukcí v počtu 72 kusů pilot délky 20 m.

Pokud by tento potenciál energo-pilot měl zásobovat teplem stejnou, avšak jen dvoupodlažní budovu, vedlo by použití energo-pilot v nejpříznivější variantě (V2) k úspoře 40 % celkových nákladů na energie.

Prezentované výsledky ukazují zajímavý potenciál energo-pilot (zde zjednodušeně vybavených „U“ trubkovým výměnkem). Pro zvolenou 13patrovou budovu činí úspora nákladů na energie pouze 9 %, avšak u budov s menším počtem pater, a tedy s vyšším poměrem plochy jejich základových pilot ku podlahové ploše budovy se úspora může blížit polovině.

doc. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.; Ing. Jakub Oravec; Ing. Iva Nováková
Autoři působí na Ústavu technických zařízení budov na Fakultě stavební VUT, Brno.

Článek vyšel v časopisu TSB 4/2021. Článek byl přednesen na konferenci Vykurovanie 2020 a původně publikován ve stejnojmenné sborníku, jehož vydavatelem je SSTP.

Poděkování

Tato práce byla podpořena Specifickým výzkumem na VUT v Brně, projektem FAST-J-21-7438 „Optimalizace tepelně aktivovaných konstrukcí pomocí algoritmů strojového učení“ a TAČR NCK CAMEB podprojekt Epilot č. TN01000056/06.

Od partnerů ASB

Literatura

[1] Sikula O., Novakova I., Oravec J., Evaluation of Energy Sources of an Office Building – a case Study. enviBUILD 2019 Conference Proceedings. ISBN: 978-80-227-4959-6.

[2] Tronchin L., Fabbri K., Energy performance building evaluation in Mediterranean countries: Comparison between software simulations and operating rating simulation: Comparison between software simulations and operating rating simulation. Energy And Buildings 2008;40:1176-1187. doi:10.1016/j.enbuild.2007.10.012.

[3] Pichová L., Šikula O. Thermal behavior and energy performance of low-energy office buildings [in Czech]. Master thesis. VUT v Brně. Brno, 2013.

[4] Horká L, Šikula O. Optimization of energy consumption in office building. [in Czech] Master thesis. 2015. VUT v Brně. Brno, 2015.

[5] Urban M., Bejček M., Wolf P., Vodička A. Concept of administrative buildings as a nearly zero-energy building. Vytapeni, Vetrani, Instalace. Univerzitní Centrum Energeticky Efektivních Budov, ČVUT v Praze, Czech Republic: Society of Environmental Engineering, 2007, 26(1), 30–36. ISSN 12101389.