Simulace kancelářské budovy s variantními zdroji energií

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.

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.

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.

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.

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.

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.