Ro ní energetické bilance budovy pro využití ledového zásobníku

Sustainable construction of buildings

Roþní energetické bilance budovy pro využití ledového zásobníku L. Roubíþek & M. Kabrhel

ýVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra technických zaĜízení budov, Praha, ýeská republika

SUMMARY: Year Energy Balance of the Building for Using of an Ice Storage This paper is focused on using of the ice storage tank working on the principle of waterice phase change in a passive cooling and heating system of multifunctional houses and administrative buildings in the year balance. Water tank is based on the principle of delivering energy from the water-ice phase change and works with temperatures approximately zero degree of Celsius. The energy balance was counted on the base of theoretical energy inputs of the whole administrative building which has the principle role in the size of the water tank. The purpose of this solution is to reduce operating costs. There is no necessary need of heating the object with using of solar heat gains from March till October. The influence of internal gains reduced significantly the energy needs for the operation of the building. Indoor design temperature was considered 25 °C. Windows will not be covered from October until the end of February. All office spaces are oriented to the north to make best use of passive gains. In April, May and September windows are covered from 10 to 20%, in summer from 50 to 60%. Annual building needs for heating and DHW are 21.6 MWh. The building will try to adapt energy consumption by shielding of windows and using of solar gains. Size of ice tank is influenced by the month, when the operation started.

1 ÚVOD Souþasný celosvČtový trend klade vČtší nároky na snižování celkové spotĜeby energií. Naproti tomu jsou na budovy kladeny vyšší požadavky z hlediska komfortu a vnitĜního prostĜedí. S tím stoupají nároky na chlazení a klimatizování objektĤ. Ve snaze ochránit energetickou síĢ vþetnČ snahy rovnomČrnČjšího rozprostĜení spotĜeby energie, jsou v hojné míĜe využívány akumulaþní zásobníky. Využití akumulaþních zásobníkĤ dává velký potenciál pro využití obnovitelných zdrojĤ a lepší využití rekuperace energie v budovách. Díky správnČ navrženému systému dokážeme v objektech využívat pĜebyteþnou energii vznikající z potĜeb chlazení jako energii nezbytnou pro pĜípravu teplé vody nebo vytápČní. Ve snaze zabránit výpadkĤm elektrické energie je smysluplné instalovat v objektech akumulaþní zásobníky, využívat výhodnČjší energetické tarify a snižovat i celkové finanþní provozní náklady pro investory. V tomto þlánku je tedy simulována celková potĜeba energií polyfunkþního objektu pro správný návrh optimální velikosti ledového akumulaþního zásobníku.

Udržitelná výstavba budov

81


2 POPIS BUDOVY A JEJÍ ENERGETICKÉ KONCEPCE Simulace byla provádČna na novČ projektovaném polyfunkþním objektu v ekoparku situovaném SZ za Prahou v obci Odolena Voda. Objekt je þásteþnČ podsklepen. V suterénní þásti se nachází technické zázemí objektu. Vstup do objektu je situován v 1.NP z jižní strany. V tomto podlaží se nachází velkoprostorové kanceláĜe, hygienické zázemí kanceláĜí a kuchyĖka pro zamČstnance. V 2. NP jsou taktéž kanceláĜe typu „open office“, které se nalézají pouze na polovinČ podlahové plochy tohoto patra. Na druhé polovinČ patra jsou 3 malé ubytovací jednotky sloužící k pĜechodnému ubytování. V posledním nadzemním podlaží se nachází plnohodnotné bytové jednotky sloužící k trvalému bydlení. Celkový objem budovy þinní necelých 4000 m3 se zastavČnou plochou 394 m2 obdélníkového pĤdorysu a vnitĜní podlahovou plochou 870 m2. Celý objekt je koncipován v pasivním standardu se snahou o minimalizaci spotĜeby energií pro vytápČní a chlazení. Objekt bude standardnČ disponovat Ĝízeným vČtráním s rekuperací tepla a bude využívat aktivace betonového jádra, kterým bude objekt chlazen nebo vytápČn. Zdrojem tepla pro celý objekt bude tepelné þerpadlo odebírající teplo z ledového akumulaþního zásobníku, který bude umístČn pod objektem. Zásobník je navržen dle energetických potĜeb domu. Díky spojení výhod tepelného þerpadla a možnosti akumulace energie v zásobníku, dává systém velký potenciál pro dosažení energeticky nulových potĜeb domu. V zimním období bude objekt vytápČn energií akumulovanou bČhem letních mČsícĤ. Tuto energii bude možné využívat i pro pĜípravu TV. Tepelné þerpadlo voda-voda bude energii odebranou ze zásobníku uskladĖovat ve standardní akumulaþní nádrži pro pĜípravu TV a vytápČní. V letním období bude ledový akumulaþní zásobník poskytovat chlad pro chlazení budovy. PĜebyteþnČ vzniklé teplo od vnitĜních a solárních ziskĤ bude v zásobníku uskladĖováno a bude regenerovat zásobník pro použití v zimním období.

Obrázek 1. Vizualizace polyfunkþního objektu, vizualizaci vytvoĜil architektonický ateliér Kubus.

3 SIMULACE 3.1 Metody simulace K simulaci bylo použito tabulkového softwaru Microsoft Excel. Výpoþty a vstupní data byly provedeny v souladu s platnými þeskými normami a národními technickými informacemi. [TNI 730330, ýSN 730540, ýSN EN 13790, ýSN EN ISO 13789, ýSN EN ISO 13370]. Do výpoþtu vstupovaly hodnoty, které byly stanovovány na základČ odborných odhadĤ a pĜedpokládaných provozních stavĤ. Tyto hodnoty vnáší do výpoþtĤ nepĜesnosti, které mĤžou ovlivnit celkový výsledek simulace.

82



Simulace probČhla formou opakovaného výpoþtu s promČnnými vstupními údaji, þímž se dosáhlo prĤmČrných hodnot, na základČ kterých byl stanoven požadovaný výsledek.

3.2 Vstupní data Pro stanovení základních vstupních parametrĤ pro urþení optimální velikosti zásobníku musela být podrobnČ vypoþtena spotĜeba energie objektu na vytápČní a chlazení. Výpoþet byl proveden v souladu s normami [ýSN EN ISO 13 790, ýSN EN ISO 13 789]. První zmiĖovaná norma poþítá energetické potĜeby mČsíþním výpoþtem. Dále také uvažuje solární zisky prosklenými plochami. VnitĜní zisky od osob a technologií byly stanoveny na základČ pĜedpokládaného týdenního režimu objektu. Tento týdenní režim uvažuje pomČrovými koeficienty obsazenost objektu a využití vnitĜní technologií mající vliv na vnitĜní tepelnou zátČž. Souþet pasivních solárních ziskĤ a vnitĜních ziskĤ norma zapoþítává dle stupnČ využitelnosti tČchto ziskĤ. PĜi stanovování vnitĜních ziskĤ bylo poþítáno napĜ. s obsazeností budovy a tČmito týdenními režimy. Týden byl rozdČlen na Po až Pá., So a Ne. PROVOZ PěES TÝDEN - PO až PÁ Administrativní þást pracovní doba od - do 8 -19 tzn. podlahová plocha 402,1 [m2] Poþet osob 18 [os] Koeficient pĜítomnosti 0,8 Tepelné zisky od osob 70 [W/os] Zisky od technologie [ks] [W/ks] poþítaþe 18 150 kopírky 5 300 tiskárny 5 250 skenery 5 15 televize 5 200 fax 5 15 vaĜení 5 1500 osvČtlení 400 12 maximální zátČž 13,9 [kWh] denní potĜeba na chlazení 106,2 [kWh/den]

11 h

[h] 11 1 2 1 1 1 1 11

k. souþ. 0,8 0,5 0,4 0,2 0,6 0,7 0,6 0,9

[W] 2160 750 500 15 600 52,5 4500 4320

Všechny data byla volena s ohledem na celoroþní provoz a snažila se zahrnout vliv prázdnin svátkĤ, Vánoc, Velikonoc atd.

3.3 Popis simulace Simulace probíhala formou optimalizace. Snahou výpoþtu bylo dosáhnout celoroþní potĜeby energií budovy se snahou dosáhnout rovnovážného stavu na konci roku. Tedy aby energie potĜebná pro vytápČní a pĜípravu TV odpovídala energii potĜebné na chlazení budovy. Díky známé výši potĜebČ energie je možné pĜedpokládat procento stínČní fasády objektu a pĜedpokládat i vnitĜní výpoþtovou teplotu. To zásadnČ ovlivĖuje velikosti vnitĜních ziskĤ. U objektu je nezbytnČ nutné dosáhnout této rovnováhy na konci roku, jinak by zásobník nemČl možnost regenerace. Možnosti ovlivnČní regenerace zásobníku bČhem roþního období jsou hlavnČ závislé na vnitĜních a solárních ziscích. Simulace je postavena na myšlence, že budova musí vykazovat vČtší potĜeby energie na pĜípravu TV


83


a vytápČní než na chlazení objektu. Z toho také vyplývá, že je velice dĤležité pĜi návrhu budovy Ĝešit problém stínČní fasády. Regenerace zásobníku je nejvíce ovlivnČna sluneþními zisky. Ty mĤžeme regulovat pomocí pĜednastavení stínČní fasády a na konci letního období, kdy zásobník není dostateþnČ pĜedpĜipraven, mĤžeme zámČrnČ zvČtšovat vnitĜní zisky vhodným nastavením stínících prvkĤ. Tento jev vyvolá reakci na pĜirozenou osvČtlenost budovy, která tímto stoupne a tím se sníží i spotĜeba el. energie na osvČtlení budovy. Dále dojde ke zvyšování vnitĜní teploty, Díky systému chlazení se však pouze zvýší nutnost chlazení, tedy zvýší se výkon obČhových þerpadel a nárĤst cirkulace do ledového zásobníku a tím jeho regenerace.

4 VÝSLEDKY Studovaný objekt nebude potĜeba vytápČt pĜi využívání solárních ziskĤ a pĜi bČžném pĜedpokládaném provozu od bĜezna až Ĝíjna. PĜi zapoþítání vnitĜních ziskĤ se tato doba mĤže ještČ prodloužit a výraznČ se tím zkrátí energetické potĜeby na provoz celé budovy. VnitĜní návrhová teplota byla uvažována hodnotou 25 °C. Z tohoto pĜedpokladu a v souladu s výše uvedeným postupem bylo stanoveno optimální procento zastínČní oken po jednotlivých mČsících. Okna nebudou vĤbec stínČna v období od Ĝíjna až do konce února. Všechny kanceláĜské prostory jsou orientovány na sever, aby objekt mohl maximálnČ využívat pasivní zisky. V mČsících duben, kvČten a záĜí bude stínČní oken mezi 10-20 %. BČhem letního období budou okna stínČna z 50 až 60 %. Roþní potĜeby budovy na vytápČní a pĜípravu TV jsou 21,6 MWh. Tomuto þíslu se budova bude snažit pĜizpĤsobovat stínČní oken a solární zisky. Díky fluktuaci kolem nulové hodnoty pro nabíjení a vybíjení zásobníku se dá pĜedurþit základní kapacita zásobníku, která bude menší než roþní spotĜeba tepla nebo chladu. Tato hodnota je závislá na mČsíci zprovoznČní systému. PĜi nejnevhodnČjším mČsíci zprovoznČní systému by musel zásobník vykazovat kapacitu cca. 8 MWh. PĜi spuštČní v pol. letního období se tato kapacita sníží až na cca. 5,7 MWh. ýím pĜesnČjší vyvážení nabíjení a vybíjení bude, tím mĤže být kapacita menší a dosahovat nižších hodnot. Limitní nezbytná hranice pro správné fungování systému cca. 4,9 MWh.

Obrázek 2. Graf znázorĖující dodávky a odbČry energií po jednotlivých mČsících

84



Díky stanovení energetických bilancí mohla být spoþítána velikost a kapacita zásobníku. Na obr. 2 je znázornČn stav chování celé budovy vþetnČ základních energetických stavĤ. V modré zadní ĜadČ jsou znázornČny potĜeby chladu, þili potenciální energie pro pĜípravu TV a vytápČní, v þerveném prostĜední ĜadČ je znázornČna potĜeba TV a vytápČní pro objekt a v první zelené ĜadČ jsou zobrazeny mČsíþní energetické dodávky do zásobníku. Zásobníky se liší svojí kapacitou hlavnČ v závislosti na použité náplni. V pĜípadČ vodního zásobníku bude velikost jistČ vČtší než u zásobníkĤ pracující se zmČnou skupenství s latentním teplem. Do výpoþtĤ vstupuje mnoho neznámých hodnot, které se dají pĜedbČžnČ odbornČ stanovit na základČ zkušeností z jiných provozĤ. Reálný provoz budovy však ukáže skuteþné chování celého systému. Je proto tedy dobré pĜi návrhu reálného systému pamatovat na rezervu, kterou by systém mČl být schopen zvládnout pĜi abnormalitách provozu. Velikost zásobníku bude nejvíce ovlivĖovat spotĜeba tepla, která je dána spotĜebou TV a vytápČní. Na druhé stranČ je také jistČ tČžké stanovit míru vnitĜních ziskĤ od osob a technologií, která vychází s pĜedpokládané obsazenosti budovy. Dále je nutné uvažovat i þasem, kdy systém bude zprovoznČn.

Obrázek 3. Stavy nabití zásobníku pĜi spuštČní v lednu (zimním období)

Obrázek 4. Stavy nabití zásobníku pĜi spuštČní v srpnu (v letním období)

Z obr. 3 je názornČ vidČt, že mČsíc spuštČní systému mĤže ovlivnit poþáteþní kapacitu zásobníku. Obr. 3 ukazuje kapacitu zásobníku 8 MWh a obr. 4, naznaþuje, že by kapacita mČla být pouze 5,7 MWh. MČsíce spuštČní tedy ovlivĖují i poþáteþní spotĜebu energií. Pokud objekt disponuje jinými zdroji tepla a chladu, dá se systém spustit nezávisle na þase a tyto poþáteþní nerovnosti vyrovnat pomocí externích zdrojĤ tepla a chladu a dosáhnout rovnovážného ustáleného stavu.

5 ZÁVċR Velikost zásobníku vychází hlavnČ z energetických potĜeb budovy. Díky pĜíznivým klimatickým podmínkám, ve kterých se nachází ýR, se dají tyto zásobníky efektivnČ využívat. V souladu s dobrou stavebnČ technickou koncepcí má ýeská republika pĜedpoklad na vyvážené celoroþní bilance z pohledĤ energií pro chlazení a vytápČní objektĤ. V jižních státech budou pĜevažovat hlavnČ potĜeby chlazení a tento systém bude limitován pouze odbČrem tepla pro pĜípravu teplé vody, která nepĜímo urþuje i maximální velikosti chladu. V severských státech díky menším intenzitám sluneþního záĜení bude tento trend opaþný a celý provoz bude soustĜedČn na pĜípravu tepla. Regenerace by probíhala bČhem letního období, kdy by systém byl cílenČ rozmrazován. Tento systém je


85


také výhodný oproti systému tepelného þerpadla s vrty zemČ voda, který také dokáže pracovat pĜi inverzních režimech jak v režimu chlazení, tak i vytápČní. U tČchto zásobníkĤ je hlavní výhodou možnost pasivního chlazení budovy. Zásobník poskytuje velký okamžitý chladící výkon, který je dán teplosmČnnou plochou jeho výmČníkĤ. Za použití energie na provoz obČhových þerpadel v budovČ se dá budova velice lacino chladit.

REFERENCE Bellas I, SA Tassou. Present and future applications of ice slurries, Int.J.Refrig. 28 (2005) 115-121. Calmac, IceBank® Energy Storage Systems, [online]. c2008, Data vyhledána 2010 08 24. Dostupné z: . ýSN 730540-2. Tepelná ochrana budov – požadavky, ýeský normalizaþní institut. Duben 2007 ýSN 730540-3. Tepelná ochrana budov-návrhové hodnoty veliþin, ýeský normalizaþní institut. Listopad 2005 ýSN EN 13790, Tepelné chování budov –Výpoþet potĜeby energie na vytápČní, ýeský normalizaþní institut. KvČten 2005 ýSN EN ISO 13789, Stavební prvky a stavební konstrukce – Tepelný odpor a souþinitel prostupu tepla – Výpoþtová metoda, ýerven 2008 ýSN EN ISO 13370, Tepelné chování budov - PĜenos tepla zeminou - Výpoþtové metody, Únor 2009 Grozdek M, R Khodabandeh, P Lundqvist, B Palm, Å Melinder. Experimental investigation of ice slurry heat transfer in horizontal tube, Int.J.Refrig. 32 (2009) 13101322. Lee DW, ES Yoon, MC Joo, A Sharma. Heat transfer characteristics of the ice slurry at melting process in a tube flow, Int.J.Refrig. 29 (2006) 451-455. TNI 730330, 6/2009. Zjednodušené výpoþtové hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potĜebou tepla na vytápČní - Bytové domy, ÚĜad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, ýerven 2009

86


Ro ní energetické bilance budovy pro využití ledového zásobníku

Recommend Documents