Vyhodnotenie dvojročnej prevádzky administratívnej budovy v štandarde nZEB

V minulých článkoch sme vám postupne predstavovali kancelársku budovu spoločnosti Fenix Trading v Jeseníku v štandarde nZEB, v ktorej sa od otvorenia v júni 2016 overovala priebežne spolupráca fotovoltiky, elektrického sálavého vykurovania a batériového úložiska. Testovacia prevádzka bola vlani ukončená a v závere minulého a na začiatku tohto roka bolo možné nazbierané dáta detailne vyhodnotiť.

Základné parametre objektu

Administratívny objekt má obdĺžnikový pôdorys s rozmermi zastavanej plochy 10,3 × 14,3 m a výšku približne 12 m. Úžitková plocha budovy je 270 m² (bez terasy na 3. NP). Vykurovanie budovy zaisťujú elektrické sálavé systémy firmy Fenix, zdroje tepla sú umiestnené priamo v obsluhovaných priestoroch.

Ide o stropné panely ECOSUN G, nástenné panely GR a podlahové ­vykurovanie ECOFLOOR v rôznych kombináciách. Chladenie budovy zaisťuje kompresorová chladiaca jednotka v kombinácii so vzduchotechnickým systémom, jednotka je umiestnená na streche objektu.

Vetranie objektu sa zabezpečuje pomocou centrálnej VZT jednotky so spätným získavaním tepla. Hygienické množstvo čerstvého vzduchu predstavuje 386 m³/h, maximálny prietok privádzaného vzduchu je 1 364 m³/h (vrátane cirkulačného vzduchu). Príprava teplej vody sa zabezpečuje priamo v mieste spotreby pomocou elektrických zásobníkových ohrievačov.

Tepelná strata objektu je 10,6 kW (6 kW prestup; 4,6 kW vetranie). Vypočítané maximálne tepelné zisky v letnom období sú 12,8 kW (4,5 kW oslnenie; 1,1 kW prítomné osoby; 3,2 kW osvetlenie; 4 kW technológie). Výpočty sa vykonali v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov ČVUT (ďalej ako UCEEB) v programe Protech. Ďalšie parametre sú:

• výkon inštalovanej FVE: 7,2 kWp,
• predpokladaná ročná výroba FVE podľa dodávateľa: 6 773 kWh,
• nominálna kapacita (energia) batériového úložiska: 486 Ah (27,2 kWh) v troch batériách, využiteľná kapacita 20 kWh, nominálne napätie 55,5 V,
• predpokladaná ročná spotreba energie v objekte podľa UCEEB: 27 000 kWh,
• pokrytie ročnej spotreby z vlastnej výroby FVE: 26 %,
• predpokladaný možný čas autonómnej prevádzky budovy z batériového úložiska: 3 až 7 h/24 h.

Výsledky protokolu PENB (Protokol k preukazu energetickej náročnosti) podľa vyhlášky č. 78/2013 Sb. ukazujú v rámci hodnotenia v režime „budovy s takmer nulovou spotrebou energie“ (kritériá platné od 1. 1. 2019) takéto zatriedenia:

• priemerný súčiniteľ prechodu tepla UEM: klasifikačná trieda B,
• celková dodaná energia Q_fuel: klasifikačná trieda A,
• neobnoviteľná primárna energia Q_nPE: klasifikačná trieda A.

Ďalej sa budeme venovať skúsenostiam z dvojročnej prevádzky z viacerých sledovaných hľadísk.

Spotreba elektrickej energie

V období rokov 2017/2018 predstavovala celková ročná spotreba budovy 23,4 MWh/rok (74 kWh/m² . rok). Výpočtový predpoklad pri návrhu HFV systému bol pritom 27 MWh. Z batériového úložiska sa odobrali 4 MWh/rok – budovou sa priamo využili 2,9 MWh/rok, rozdiel vo výške 1,1 MWh možno považovať za export mimo budovy.

Neprehliadnite: Výsledky po ročnej prevádzke novej administratívnej budovy Fenix Trading

Z pohľadu solárneho pokrytia (sebestačnosti) sa budova pohybovala v letných mesiacoch v rozpätí 50 až 70 % v závislosti od potreby a výroby energie. V čiastkových úrovniach energetickej spotreby bola absolútne dominantná spotreba energie na vykurovanie vo výške 10,5 MWh/rok (33,3 kWh/m² . rok), čo predstavuje cca 44 % celkovej spotreby energie budovy.

Medzi ďalšie dominantné, ale stále spotreby patrila zásuvková spotreba energie a spotreba energie na prevádzku serverov, zabezpečovacích zariadení a pod. Táto spotreba dosahuje 7,9 MWh/rok (25,1 kWh/m² . rok) a jej podiel bol 32 % z celkovej ročnej spotreby energie.

Vykurovanie

Zaujímavým vývojom prešla spotreba energie na vykurovanie, ktorej podiel na celkovej spotrebe z roka na rok klesal. Vplyv na spotrebu malo, samozrejme, počasie, no zásadné bolo optimálne prevádzkové nastavenie všetkých systémov budovy.

Z hľadiska počasia bola najchladnejšia prvá zima (priemerná teplota v sezóne 2016/2017 bola 1,1 °C, čo je v Jeseníku hodnota približne o 2 °C nižšia, než je dlhodobý normál), ďalšie dve zimy už boli teplejšie a mali podobnú priemernú teplotu – 2,1 °C vo vykurovacom období 2017/2018 a 2,8 °C v poslednej vykurovacej sezóne 2018/2019.

V prvej vykurovacej sezóne (2016/2017) bola spotreba elektrickej energie na vykurovanie zatiaľ najvyššia a tvorila až 48 % z celkovej spotreby energie budovy. Dôvodom vyššej spotreby v prvom roku prevádzky nebolo len chladnejšie počasie, prejavili sa aj „detské choroby“ projektu.

Napríklad, automatický režim vonkajších žalúzií bránil v prvých mesiacoch prevádzky využiť plánované tepelné zisky. Poznatky a nazbierané dáta z prvých dvoch vykurovacích sezón sa v plnej miere uplatnili v poslednom vykurovacom období 2018/2019, vtedy došlo k významnému poklesu spotreby energie na vykurovanie.

Dôvodom poklesu bola, samozrejme, teplejšia zima, to by však na také výrazné zníženie spotreby nestačilo. Hlavné úspory priniesli jednak vyššie tepelné zisky z oslnenia (prejavila sa výhoda decentralizovaného systému elektrického sálavého vykurovania), ale išlo najmä o optimálne nastavenie útlmovej (nočnej) teploty.

Táto optimalizácia útlmovej teploty vyplynula z testov prebiehajúcich na konci vykurovacej sezóny 2017/2018, v rámci ktorých sa meralo, ktorý prevádzkový režim komfort/útlm je z hľadiska spotreby energie na vykurovanie najefektívnejší. Teda, či je ekonomickejšie v noci nekúriť alebo len minimálne a potom akceptovať vyššiu rannú špičku, alebo nechať objekt vychladnúť len do určitej miery.

Testovali sa rôzne režimy – od udržiavania konštantnej teploty celých 24 hodín až po nastavenie nočného útlmu o cca 5 °C. Najlepšie vychádzal útlm o 2 °C. To sa tiež plne prejavilo v spotrebe energie na vykurovanie počas vykurovacej sezóny 2018/2019, ktorá bola objektívne najnižšia za celý čas prevádzky objektu.

Energetické nároky na vykurovanie sa vo vykurovacej sezóne 2018/2019 (október a február) znížili o 27 % (v porovnaní s rovnakým obdobím v rokoch 2017/2018) a v porovnaní s prvou vykurovacou sezónou 2016/2017 boli dokonca nižšie až o tretinu, o celých 34 %!

Prevádzka batériového úložiska

Batériové úložisko sa ukázalo ako veľmi flexibilný nástroj optimalizácie spotreby budovy počas 24-hodinového cyklu, zároveň sa preukázala aj jeho schopnosť práce s ohraničeným príkonom pri uspokojení všetkých potrieb. Budova mohla byť aj v zimnom období prevádzkovaná s ističom 3 × 25 A, hoci by jej výkonovo zodpovedal skôr istič 3 × 40 A.

Kvalita vnútorného prostredia

V budove sa po celý čas testovacej prevádzky monitorovali aj parametre vnútorného prostredia – merala sa teplota vzduchu, relatívna vlhkosť vzduchu, prchavé organické látky (VOC) a koncentrácia CO₂. Teplota vzduchu a relatívna vlhkosť vzduchu sa snímali vo všetkých priestoroch, CO₂ a VOC sa monitorovali iba v kanceláriách.

Parametre sa snímali v minútovom kroku a vyhodnocovali na základe noriem STN EN 15251 a STN EN ISO 7730. Tieto normy umožňujú stanoviť a definovať kategorizáciu hlavných monitorovaných parametrov vnútorného prostredia.

Spomínané normy určujú aj parametre na sledovanie (kontrolu) a zobrazovanie (meranie) vnútorného prostredia v existujúcich budovách. Vyhodnotenie parametrov sledovali pracovníci UCEEB v každej miestnosti/kancelárii po jednotlivých mesiacoch, pričom sa pre každý monitorovaný parameter stanovili kategórie opísané v tab. 1.

Kvalitatívne nastavenie hraníc jednotlivých kategórií podľa tab. 2 vychádza z technických noriem a hygienických požiadaviek národnej legislatívy a zohľadňuje ročné obdobia a adaptáciu človeka na jednotlivé časti roka.

Hodnotenie parametrov vnútorného prostredia bolo založené na spracovaní množstva/súhrnu časových úsekov v danej kategórii I až III (IV). V rámci každého hodnoteného mesiaca a hodnotenej miestnosti v budove sa spracoval prehľad a hodnotenie monitorovaných parametrov vnútorného prostredia.

Teplota vzduchu

Hodnotenie teploty vzduchu, predovšetkým vo vykurovacom období, dosahovalo v pracovnom čase veľmi dobré a stabilné parametre. Teplota vzduchu v kanceláriách zodpovedala počas 80 – 90 % pracovného času požiadavkám kategórie I. Všeobecne boli najväčším problémom mesiace prechodného obdobia (apríl a máj 2018), vtedy pre vysoké vonkajšie teploty spadali teploty do kategórie II a veľmi malá časť do kategórie III.

V dôsledku toho sa požiadavky kategórie I v prechodnom období naplnili len v 60 % celkového pracovného času. V letnom období dosahovali kategórie vnútorného prostredia v rámci teploty vzduchu kategóriu II+ (asi 40 % pracovného času), prípadne III+ (približne 20 % pracovného času).

V prípade zapnutia multisplitového systému bolo možné dosiahnuť po väčšinu pracovného času kategóriu I, prípadne kategóriu II+. Všeobecne sa dá konštatovať, že vo všetkých priestoroch so stálou prítomnosťou osôb, tzn. v kanceláriách, bola stabilná a prakticky rovnaká teplota vzduchu.

Relatívna vlhkosť vzduchu

Kategórie týkajúce sa relatívnej vlhkosti vzduchu sú uvedené v tab. 2. Relatívna vlhkosť vzduchu sa hodnotila iba v miestnostiach so stálym pobytom osôb, vynechali sa kuchynky, WC a pod. V letných mesiacoch sa v 70 až 80 % pracovného času dosahovala kategória I, t. j. relatívna vlhkosť bola vyššia ako požadovaný rozsah 45 – 55 %.

V zimných mesiacoch, resp. vo vykurovacom období (október – december), dosahovalo zatriedenie relatívnej vlhkosti vzduchu záporné kategórie, tzn. v rozsahu kategórií I – IV (–). Kategória IV (–), tzn. relatívna vlhkosť vzduchu nižšia ako 30 %, predstavovala v zimných mesiacoch v jednotlivých kanceláriách podiel približne 30 – 40 % z celkového pracovného času.

Koncentrácia CO₂

Kategórie v rámci koncentrácie CO₂ vo vzduchu sú uvedené v tab. 2. Hodnotenie koncentrácie CO₂ možno opäť rozdeliť na letné a jesenné mesiace a na mesiace vykurovacieho obdobia. V letných mesiacoch sa maximálne využíval vetrací vzduch na odvod tepelnej záťaže, z tohto dôvodu bola prakticky v celej budove minimálna koncentrácia CO₂ (hodnoty sa pohybovali medzi 400 až 600 ppm).

Vo vykurovacom období sa výrazne redukovala dodávka čerstvého vzduchu, avšak 50 až 60 % pracovného času sa koncentrácia CO₂ pohybovala v kategórii I, zvyšok času pripadol viac-menej na kategóriu II, prakticky výnimočne (iba v rozsahu 1 – 3 % času) dosahovala koncentrácia CO₂ kategóriu III.

Kancelárie mali aj v zimnom období minimálnu koncentráciu CO₂ (300 až 600 ppm), medzi 7. až 9. hodinou sa obvykle zdvihla koncentrácia nad hodnoty 750 ppm (3 % pracovného času).

Celkové hodnotenie parametrov vnútorného prostredia v budove

Budova spĺňala kategórie vnútorného prostredia v rámci teploty vzduchu a koncentrácie CO₂ po väčšinu prevádzkového času. Relatívna vlhkosť vzduchu bola najmä v zimných mesiacoch hodnotená v nižších kategóriách, v prípade celej budovy je relatívna vlhkosť vzduchu nízka.

Túto skutočnosť spôsobuje suchý vonkajší vzduch a absencia zvlhčovania vo vzduchotechnickej jednotke. Náprava je možná dodatočnou inštaláciou parného zvlhčovača do technickej miestnosti a nepriamym vlhčením vzduchu za vzduchotechnickou jednotkou.

Ideálny prevádzkový režim

Počas uplynulých dvoch rokov prevádzky boli budova a jej technické systémy prevádzkovo nastavené na ideálny prevádzkový režim vzhľadom na požadovaný stav vnútorného prostredia.

Na základe zistení a jednotlivých experimentov sa urobili niektoré špecifické nastavenia a súčasne vznikla zostava odporúčaní pre systém vykurovania, VZT, chladenia a ďalšie prevádzkové systémy.

Podrobnú hodnotiacu správu vypracovali pracovníci UCEEB Praha, vedenie holdingu Fenix ju má k dispozícii a jej závery prezentuje na odborných konferenciách a seminároch.

Testy správania administratívneho centra v bežných alebo medzných stavoch

V máji 2018 sa uskutočnili v Jeseníku testy ČEZ distribúcie, počas ktorých sa meralo správanie administratívneho centra v bežných alebo medzných stavoch – napríklad „vyhladený“ diagram odberového miesta k distribučnej sieti, bilančná ostrovná prevádzka (s pripojením k sieti), vynútená dodávka elektrickej energie do siete zo strany distribútora, obmedzenie prepadu výkonu z FVE do siete na vopred dohodnutú hodnotu inštalovaného výkonu FVE alebo distribútorom obmedzená spotreba na vopred dohodnutú hranicu.

Testy preukázali, že uvedený koncept je schopný účinne kooperovať v rámci budúcich „smart grids“ aj súčasného riadenia DS pomocou HDO.

Budúcnosť = spojenie elektrického vykurovania, fotovoltiky a inteligentnej akumulácie energie

Akumulačné systémy sa stávajú postupne súčasťou novostavaných budov, a to najmä tam, kde je zároveň umiestnená fotovoltická elektráreň a kde je nainštalované veľkoplošné elektrické vykurovanie, prípadne vykurovanie elektrickými sálavými panelmi.

Aj výsledky z prevádzky administratívneho centra Fenix Trading v Jeseníku dokazujú, že decentralizovaná výroba elektriny v spojení s jej akumuláciou má potenciál výrazne znížiť spotrebu a zvýšiť energetickú nezávislosť prevádzkovateľa.

Akumulačné energetické stanice a ich uplatnenie

Spoločnosť Fenix Group má záujem o hladký rozvoj tohto konceptu, preto v roku 2016 spoluzaložila a financuje rozvoj startupu AERS, s. r. o. Jednou z kľúčových oblastí záujmu tejto spoločnosti je vývoj, výroba a podpora distribúcie akumulačných energetických staníc, čo sú zariadenia slúžiace na akumuláciu elektrickej energie s využitím energie získanej z distribučnej siete aj z OZE a s riadeným využívaním vlastnej spotreby.

V súčasnosti je v prevádzke vo výrobnom areáli Fenix Group veľké batériové úložisko na zaistenie dodávky energie bez výpadkov a na zníženie energetických odberových maxím. V tejto časti projektu bude UCEEB zabezpečovať dlhodobý monitoring a konzultácie pri testovaní integrácie veľkého úložiska do priemyselnej výroby.

Pre rodinné domy má teraz AERS v ponuke výkonovú akumulačnú stanicu AES 10 a jej výkonovú optimalizáciu, stanicu AES 6. Krst tejto batériovej akumulačnej stanice a s ním spojené predstavenie modulárnych akumulačných staníc od spoločnosti AERS sa uskutočnili v septembri 2018 v priebehu veľtrhu FOR ARCH.

Ďalšou veľtrhovou prezentáciou bola expozícia AERS na konferencii Smart Energy Forum na začiatku novembra 2018. Začiatkom roka 2019 sa nová akumulačná stanica stala súčasťou viacerých pripravovaných pilotných projektov. Jedným z nich je ďalší spoločný projekt Fenix Group a ­UCEEB, ktorý sa týka oblasti rodinných domov. Okrem oboch uvedených partnerov sa doň zapoja aj ďalšie subjekty.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 2/2019.