Zdroj: archiv autorky

Výpočet energetické náročnosti budovy s podporou BIM

15. července 2021

Partneři sekce:

Aktuální výzkumy dokazují, že v Evropské unii je stavební sektor zodpovědný za přibližně 36 % emisí CO2. Z tohoto důvodu jsou obnova existujících budov a udržitelný způsob výstavby nových objektů klíčové v dosažení významných energetických úspor a nízkouhlíkového hospodářství.

Využíváním Building Information Modelling (BIM) a jednotného 3D modelu v praxi se koordinuje spolupráce všech profesí. BIM model obsahuje všechny potřebné údaje pro návrh, výstavbu a provoz objektu, přičemž nabízí výstup relevantních údajů pro různé specifické softwary.

Státy Evropské unie (EU) se strategickými plány a následnými konkrétními legislativními kroky zavázaly k vytvoření udržitelného, nízkouhlíkového a ekologického stavebního sektoru. Dosažení těchto cílů vyžaduje nové přístupy ve výstavbě budov, přesnější odhady, optimalizace spotřeby energie a blízkou spolupráci architektů, stavebních inženýrů, stavebníků a facility manažery.

Z tohoto důvodu se BIM dnes stává stále více rozšířeným nástrojem, jak tuto spolupráci posílit, eliminovat kolize požadavků profesí a zjednodušit úpravy v návrhu za účelem optimalizace energetické náročnosti.

Úrovně provádění BIM

BIM je akronymem anglického Building Information Modelling. Při tomto způsobu projektování není model vytvořený z čar, ale z elementů, které obsahují parametry reálné konstrukce. Benefity využívání BIM v projektování, jakými jsou rychlost a přesnost projektování či spolupráce profesí, se mohou plně projevit, pokud je zvolena vhodná úroveň preciznosti a detailnosti návrhu.

obr 1 — Úrovně BIM podle National Building Specification | Zdroj: archiv autorky

Způsoby hodnocení úrovní BIM jsou v jednotlivých regionech rozdílné, American Institute of Architect’s určuje úroveň detailů v BIM na stupnici 100 (základní) až 500 (precizní) [1], přičemž National Building Specification z Velké Británie určila 4 úrovně detailnosti a spolupráce v procesu navrhování – od BIM 0 (2D výkresy) až po BIM 3 (jednotný BIM model se vzdáleným přístupem) [2].

Energetická náročnost budovy vytvořené v BIM

Níže je demonstrována možnost prvotního orientačního určení energetické náročnosti budovy, která je ve stádiu koncepčního navrhování. V této fázi se určuje hmotové rozložení objektu, velikost, orientace na světové strany, základní tepelnětechnické charakteristiky konstrukcí, systémů technických zařízení budovy a zjednodušené rozvrhy užívání objektu.

Model byl vytvořen v programu Autodesk Revit jako hmotový model rozpracovaný do jednoduchého konstrukčního modelu. Pro zjištění odhadované spotřeby energie byl použit parametrický optimalizační nástroj Autodesk Insight a platforma Green Building Studio. V tomto stádiu rozpracovanosti je jednoduché optimalizovat a provádět změny, protože model neobsahuje příliš mnoho detailů a specifikací.

Popis budovy

Modelovaným objektem je samostatně stojící bytový dům se zastavěnou plochou 477 m² a celkovou výškou 21 m, který je situován v Bratislavě. Objekt není podsklepený, sestává ze 7 podlaží a zastřešený je plochou nepochozí střechou.

Zvolené tepelnětechnické parametry obálky budovy jsou uvedeny v tab. 1. Technické systémy byly zvoleny z přednastaveného balíčku nazvaného „Residential 14 SEER / 8.3 HSPF Split / Packaged Heat Pump“. Autodesk Revit využívá způsoby označování výkonností zařízení využívané v Severní Americe. Zvolená technická zařízení jsou následující:

tepelné čerpadlo vzduch/vzduch na vytápění se sezónním koeficientem účinnosti HSPF 8,3 a chlazení se sezónním koeficientem účinnosti SEER 14,
větrání prostor s konstantním průtokem vzduchu,
ohřev vody v elektrickém zásobníku

Tab. 1 Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí v modelu

Typ konstrukce	Popis	Tepelný odpor R [(m2K)/W]	Součinitel prostupu tepla U [W/(m²K)]
Exteriérová stěna	Cihla tl. 300 mm + tepelná izolace (TI) tl. 200 mm	7,20	0,14
Plochá střecha	Železobetonová desky tl. 200 mm + TI tl. 300 mm	8,50	0,12
Otvorové konstrukce	Plastové profily + zasklení trojsklem	–	0,60
Podlaha na terénu	TI tl. 150 mm + cementový potěr tl. 60 mm	4,36	–

Energetický model budovy

Energetický model byl automaticky vygenerovaný v programu Autodesk Revit z existujícího konstrukčního modelu. Energeticky model představuje abstrakci celkové formy a uspořádání budovy do výpočetní sítě, která je vstupním údajem pro energetické simulace.

Tato síť popisuje všechny klíčové cesty a procesy přenosu tepla v budově a podle formátu údajů gbXML sestává ze 3 hlavních komponent: prostory, povrchy a zóny.

obr 2 — Ukázka automatického výpočtu odhadované potřeby energie v Autodesk Insight při úpravě vstupních údajů systémů technických zařízení budov; a) výchozí stav s průměrnou hodnotou nabízených řešení, b) výběr optimálního řešení | Zdroj: archiv autorky

Přehled výsledků

Autodesk Revit na výpočty a simulace využívá cloudové výpočetní mechanismy propojené s uživatelským rozhraním Autodesk Insight pro jednoduchý přehled výsledků a parametrické srovnání řešení a Green Building Studio pro podrobnější analýzu výsledků.

V úvodní fázi návrhu je potřeba energie odhadovaná ze zjednodušeného modelu. V rámci Autodesk Insight je možné vidět přehled proměnných, jako jsou orientace na světové strany, velikost zasklených ploch, tepelnětechnické parametry konstrukcí a systémů technických zařízení budovy.

Tyto proměnné lze upravovat výběrem z předvolených možností, přičemž vliv na energetickou náročnost a na ekonomickou náročnost provozu je možné vidět v reálném čase, bez spuštění dalšího kola simulace.

obr 3 — Výstup z Green Building Studio; a) celková spotřeba energie v objektu rozdělená podle míst spotřeby, b) spotřeba elektrické energie v jednotlivých místech spotřeby | Zdroj: archiv autorky

Pro podrobnější analýzu v pozdější fázi návrhu je možné využít platformu Green Building Studio, která slouží jako back-endová služba Autodesk Insight. V ní je možné podrobně prozkoumat všech 144 různých kombinací vlastností proměnných, přičemž pro každou kombinaci proběhla již předem vlastní simulace.

Z Green Building Studio je možné exportovat data do různých formátů (Gbxml, VRML pro 3D posouzení, DOE-2, Energy Plus), které mohou být využity v externích softwarech. Green Buiding Studio rovněž nabízí grafické zpracování výsledků ve formě grafů a tabulek.

Závěr

BIM je užitečným nástrojem pro sjednocení a automatizaci procesů ve stavebnictví. V různých fázích projektování nebo provozu se mohou použít různé úrovně přesnosti modelu. V této studii bylo představeno použití softwaru BIM na výpočty energie v prvotní koncepční fázi, kde jde o proces vyhodnocování a srovnání konstrukčních řešení vycházejících z hrubého schematického modelu. Energetická analýza pomocí BIM softwaru je v koncepční fázi rychlým a efektivním způsobem výběru optimálního řešení pro vysokou energetickou náročnost budovy.

Poděkování

Tato práce byla podporována Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky prostřednictvím grantů VEGA 1/0847/18 a KEGA 044STU-4/2018.