Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT

Univerzitní centrum energeticky efektivních budov je interdisciplinární výzkumný projekt Českého vysokého učení technického v Praze zaměřený na energeticky úsporné budovy se zdravým vnitřním prostředím, které jsou zároveň šetrné k životnímu prostředí.

Autorem architektonické koncepce budovy UCEEB je prof. Tomáš Šenberger. Výběr lokality pro umístění centra probíhal v souladu se zásadami udržitelné výstavby, tedy s důrazem na minimální zábor zemědělsky využitelné půdy. Centrum se v tomto ohledu snaží jít příkladem – pozemek pro výstavbu je brownfieldem v těsném sousedství kladenské Poldovky.

Stavebně-energetická koncepce

Budova Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) má velmi různorodé provozní požadavky, proto vytvoření její stavebně-energetické koncepce nebylo úplně snadné. V budově UCEEB můžeme identifikovat souvislou vytápěnou zónu – dvoupodlažní, převážně administrativní část s navazujícími jednotlivými laboratořemi – a také ji samostatně hodnotit.

Rozhodující objem stavby s velkým halovým prostorem a navazujícím blokem laboratoří při jižní fasádě je vhodné ve výpočtovém modelu považovat za sousední nevytápěný prostor, i když i jeho obvodové konstrukce jsou tepelně izolované. V těchto prostorách existuje požadavek na vytápění pouze v době některých z mnoha druhů experimentů, a to zpravidla vždy jen ve vymezené části.

Jihozápadní fasáda budovy UCEEB

Energie zde užité pro vytápění a chlazení, potřebné dokonce někdy i současně (!) podle povahy experimentů, nelze započítávat do stavební energetické náročnosti podle obvyklého chápání tohoto pojmu. Tyto energie lze přirovnat k energiím pro výrobní procesy v továrně, i když jejich přítomnost může vést k vyšším teplotám vzduchu, než by odpovídalo obvykle uvažovanému sousednímu nevytápěnému prostoru podle obvyklých modelů výpočtů. Halové prostory jsou ze západní strany přístupné velkými vraty, která mohou být podle povahy přípravy a realizace experimentů po delší dobu otevřena.

Obvodové konstrukce rozhodující vytápěné části jsou navrženy na úrovni obvykle odpovídající pasivnímu standardu (součinitel prostupu tepla obvodové stěny 0,14 W/(m²K), oken 0,8 W/(m²K), střechy 0,10 W/(m²K), podlahy na terénu 0,30 W/(m²K), podlahy nad venkovním prostorem 0,11 W/(m²K)). Průměrný součinitel prostupu tepla obálky budovy (tedy této vytápěné zóny) je 0,31 W/(m²K).

V této části je realizováno nucené větrání se zpětným získáváním tepla s řízením po místnostech podle jejich obsazení. Výjimku tvoří některé laboratoře, kde nelze s ohledem na charakter laboratorního provozu (zdraví škodlivé látky, digestoře) zpětné získávání tepla realizovat. Měrná potřeba tepla na vytápění vytápěné části budovy je i s tímto objektivním „handicapem“ velmi nízká – 31 kWh/(m²a).

Charakter práce výzkumných týmů nelze ovšem dopředu zcela předpovědět: kolik času budou pracovat v kanceláři, kolik při experimentech v laboratořích a zkušební hale. Z toho vyplývají i nejistoty deklarativního výpočtu energetické náročnosti, kam se nutně promítají předpoklady obsazení a vybavení jednotlivých kanceláří (ovlivnění potřebného objemu čerstvého vzduchu na straně jedné a produkce tepelných zisků na straně druhé).

Budovu můžeme hodnotit i z pohledu nových legislativních požadavků na energetickou náročnost budov (Vyhláška 78/2013, která v českém prostředí realizuje požadavky známé evropské směrnice), i když se na ni z právního hlediska nevztahují: obálka budovy odpovídá třídě B (velmi úsporná).

Hodnota neobnovitelné primární energie bude zřejmě splňovat požadavek pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie (závazné od roku 2018 pro budovy financované z veřejných prostředků), vzhledem ke značnému podílu kogenerační výroby tepla a elektřiny ve vlastním výzkumném zařízení a fotovoltaické instalaci. Bonusem je využitelnost části energie vyprodukované v souvislosti s některými experimenty.

Budova UCEEB po dokončení

Architektonická koncepce

Hlavní hmotou budovy je devět metrů vysoký blok testovací haly, ke které jsou na severní a východní straně připojeny nižší přízemní části se specializovanými laboratořemi a výukovou místností. Dominantu budovy tvoří administrativní křídlo, položené na střechu laboratoří ve směru západ–východ jako dřevěný hranol se šikmo seříznutými čely.

Orientace stavby ke světovým stranám, zvolení netradičního konstrukčního systému a různé typy obalových konstrukcí tvoří ideální podmínky pro účel budovy. Jednoznačná orientace podélné osy stavby (západ–východ) umožňuje umístění solárních zařízení na k jihu obrácené části stavby (fotovoltaické panely na střešní světlíky haly ve sklonu 34°, vzduchový solární kolektor o ploše cca 360 m² na jižní fasádu haly) a naopak příznivé osvětlení specializovaných laboratoří a testovací haly (světlíky) od severu.

Z výstavby univerzitního centra

Pro hlavní nosnou konstrukci bylo demonstračně zvoleno lepené lamelové dřevo, a to jak na halovou, přízemní, tak i na dvoupodlažní část budovy. Dřevo je i hlavním materiálem pro většinu obalových konstrukcí – především pro fasády haly a administrativy.

Důležitou součástí architektonického řešení je i programové využívání zeleně. Mimo sadové úpravy je zeleň i navrhovanou aktivní součástí vlastní budovy. Dispozičně i provozně je budova rozdělena na tři vzájemně propojené části. Do centra dispozice je navržen vstupní a administrativní dvoupodlažní blok. Hlavní vstup pro zaměstnance a návštěvy je z východu, zásobování je navrženo na protilehlé straně z oplocené manipulační plochy.

Testovací hala slouží k velkým pokusům na celých testovacích budovách i jejich komponentách v měřítku až 1 : 1. Část je vymezena přímo pro sestavení testovaných konstrukcí, další prostory jsou vyčleněny pro prostorově náročnější zázemí (klimakomora), jižní dvoupodlažní trakt haly pak pro akustickou komoru, specializované laboratoře a sklady.

Z výstavby univerzitního centra

Unikátní energetická laboratoř

Jednou z priorit centra je výzkum a vývoj technologií pro snižování energetické náročnosti budov a jedním ze strategických témat je zabezpečení vnitřního prostředí budovy v požadované kvalitě a s minimálními nároky na spotřebu energií. Univerzitní centrum je samo o sobě unikátní laboratoří a pyšní se špičkovým technologickým vybavením. V energetické koncepci microgrid UCEEB již není budova chápána pouze jako spotřebič, ale zároveň jako energetický zdroj pokrývající alespoň částečně vlastní spotřebu, který je zároveň schopen dodávat elektřinu do distribuční soustavy.

Zásobování teplem a chladem poskytuje mkroturbína C65, která produkuje kromě elektřiny cca 110 kW tepla v závislosti na aktuálním elektrickém výkonu a atmosférických podmínkách. Pro situace, kdy teplo z mikroturbíny nedostačuje spotřebě nebo kdy je turbína mimo provoz, je objekt univerzitního centra vybaven dvěma plynovými kotli o jednotkovém výkonu 108 kWt. Teplo je možné v rámci systému akumulovat do podzemního zásobníku s kapacitou 20 m3 a dvou provozních zásobníků o objemu 2 x 5 m³.

Kompresorová chladicí jednotka produkuje chlad o špičkovém výkonu 250 kW. Do systému jsou z experimentálních důvodů zapojeny dvě sorpční jednotky – absorpční o výkonu 70 kW a adsorpční o výkonu 10 kW. Obnovitelné zdroje energie zastupuje pole fotovoltaických panelů o špičkovém výkonu cca 35 kWp instalovaných na střeše budovy a experimentální fotovoltaické pole na jižní fasádě budovy o výkonu 12 kWp. Zdroje energie spolupracují s bateriovým úložištěm využívajícím LiON akumulátory s celkovou kapacitou 63 kWh, které je schopné do sítě budovy dodat trvalý výkon 30 kW.

Provozní režim výzkumného centra je složitější ve srovnání s průmyslovým závodem. Zatímco podniky mají obvykle velmi dobré znalosti o denních a nočních potřebách energií, experimentální povaha centra neumožňuje jednoznačně určit přesný odběrový profil.

Čtyři energeticky významné laboratoře s jednotkovými požadavky na okamžitý elektrický výkon vyšší než 50 kW mají zásadní vliv na spotřebu energie v celé budově. Tyto jednotkové požadavky závisí na typu a množství provedených experimentů, které jsou pro jednotlivá zařízení v roční bilanci plánovány. Kromě toho záleží také na jejich aktuálním provozním stavu, pokud jsou využívány.

Mechanická laboratoř univerzitního pracoviště

Současný energetický dohledový systém automaticky nakládá s energií uloženou v bateriovém systému, energií z distribuční soustavy a obnovitelného zdroje. Automatický algoritmus sleduje spotřebu a v případě rizika překročení nasmlouvané kapacity odpíná nepriotritní zátěže, uvolňuje energii z akumulátorového úložiště a případně spíná kogenerační jednotku.

Teplo v univerzitním centru není využito pouze na vytápění, ale i pro potřeby některých laboratoří, které je využívají paralelně s chladem pro svou činnost. Objekt je dále vybaven šesti centrálními a osmi decentrálními (pro speciální laboratoře) vzduchotechnickými jednotkami s rekuperací energie. Tyto jednotky rovněž spotřebovávají teplo i chlad.

Z jednoduchého porovnání dostupných elektrických zdrojů a maximálního příkonu je zřejmé, že budova musí být za stávajících podmínek schopna minimálně „bilančního“ odpojení od elektrizační soustavy, kdy je produkovaná elektřina v rovnováze se spotřebou. V areálu UCEEB jsou instalovány dvě nabíjecí stanice pro elektromobily. Výzkumné centrum v minulém roce doplnilo svou energetickou infrastrukturu o elektromobil BMV i3 s řiditelnou dobíjecí stanicí.

Energocentrum je potrubními rozvody propojeno s laboratořemi týmu Energetické systémy budov pro experimentální účely v reálném měřítku. Všechna zařízení v energocentru jsou monitorována a vyhodnocována v rámci nadřazeného systému MaR a jsou sledovány jejich provozní parametry (produkce a spotřeba energií) pro ověření funkčnosti navržené koncepce a pro další optimalizaci řízení instalovaných zdrojů energie.

Solární simulátor

Činnost výzkumného centra jako multioborové pracoviště

UCEEB vznikl za účelem zjednodušení spolupráce univerzity s průmyslem. Přesněji řečeno, zaměřuje se na komercializaci výsledků výzkumu, transfer technologií, spolupráci s průmyslem a rozvoj synergické inovační kultury.
Jeho přidanou hodnotou je schopnost přicházet s originálními řešeními oblasti trvale udržitelných budov v celém jejich životním cyklu, včetně zdravého vnitřního prostředí, s ohledem na úsporu investičních a provozních nákladů i energií.

S úspěchem využívá spolupráci a know-how vědců a inženýrů ze čtyř fakult ČVUT z oblasti elektrotechniky a stavebního, biomedicínského a strojního inženýrství. Špičkové technologické vybavení a rozmanitost laboratorního zařízení nabízí místním i zahraničním studentům možnost využívat laboratoře i zařízení pro studentské závěrečné práce, které jsou přednostně navrhovány pro zefektivnění technologií používaných komerčně pro průmysl.

Tzv. „tepelný manekýn“.

Jedním z priorit UCEEB, jak již bylo zmíněno, je propojovat vědu s průmyslem a spolupracovat na významných evropských a světových projektech. Projekt Smart Cities se stal jednou z tematických priorit UCEEB. Multidisciplinární tým se zabývá konceptem Smart Cities a Smart Grids. Úzce spolupracuje s městskými samosprávami a navazuje partnerství a spolupráci s městy, obcemi a dalšími subjekty veřejného sektoru.

UCEEB nejenže spolupracuje s komerčními a nekomerčními partnery, ale také řeší několik národních i nadnárodních projektů, jejichž výstupem je vývoj a výzkum v podobě nabízených služeb a produktů, díky kterým mohou uživatelé například zajistit požadovanou tepelnou pohodu v budově, a to za cenu minimální spotřebované energie (MPC řídicí systém), sledovat vlhkost přímo ve stavební struktuře dřevěných konstrukcí (Moisture Guard), sledovat mechanické namáhání ve struktuře dřevěných nosníků (Smart GLT) nebo optimálně zacházet s energií z fotovoltaického zdroje na základě předpovědi osvitu (PV Forecast).

Vozový park je vybaven elektromobilem.

Investor: České vysoké učení technické v Praze
Autoři: prof. Ing. arch. Tomáš Šenberger, Ing. arch. Tomáš Med
Poradenství v oblasti nízkoenergetických budov: prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc.
Generální projektant: Grebner, projektová a inženýrská kancelář
Technický dozor investora: NOSTA-HERTZ, s r. o.
Generální dodavatel: Metrostav, a. s.
Projekt: 2009–2012
Realizace: 2012–2014
Plocha pozemku: 19 500 m²
Zastavěná plocha: 3 960 m²
Užitná plocha: 5 040 m²
Obestavěný prostor: 32 350 m³
Náklady: 288 mil. Kč

Foto: UCEEB ČVUT
Text: prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc., prof. Tomáš Šenberger, Ing. arch. Tomáš Med, Ing. Jakub Maščuch, Ph.D., Ing. Jan Včelák, Ph.D., Ing. Jana Simčinová
Autoři pracují v UCEEB ČVUT.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2016.