Výsledky z prevádzky administratívnej budovy spol. Fenix Group

Článok sa zaoberá konceptom spolupráce energetického systému a technického zariadenia administratívnej budovy spol. Fenix Group, a. s., ktorá bola uvedená do prevádzky v roku 2016 a bola postavená v štandarde budovy s takmer nulovou potrebou energie (nZEB). Pri návrhu bola vytvorená pracovná skupina zahŕňajúca expertov z oblasti stavebníctva a energetiky, a to zo súkromného aj verejného sektora. Cieľom bolo postaviť budovu, ktorá bude nielen úsporná a energeticky maximálne sebestačná, ale bude schopná aj rôznej experimentálnej prevádzky, ktorá poslúži na overenie inovatívnych konceptov v oblasti inteligentnej energetiky a kvality vnútorného prostredia.

Využívanie obnoviteľných zdrojov v rámci energetických sietí je celosvetovo na vzostupe. Ich integrácia do energetického systému prináša nesporné výhody nielen v oblasti ochrany životného prostredia, ale aj pri tvorbe nových kvalifikovaných pracovných miest a zvýšení nezávislosti od dovozu surovín. V podmienkach Českej republiky mal rozvoj fotovoltiky v nedávnej minulosti búrlivý priebeh – prevažná väčšina inštalovaného výkonu sa realizovala v rokoch 2009 až 2010, potom nasledovala stagnácia z dôvodu výrazného zníženia garantovanej výkupnej ceny energie.

Ku koncu roka 2016 bol inštalovaný výkon registrovaných fotovoltických (FV) zdrojov 2 068 MWP, čo predstavovalo 9,2 % z celkového inštalovaného výkonu výrobní elektriny [1]. Prevažná väčšina FV zdrojov bola koncipovaná na priamu dodávku energie do distribučnej siete (zdroje do 10 kWP, čo sú prevažne strešné systémy, však tvorili len 4,5 % [1]). Situácia na trhu s FV systémami však začala v posledných rokoch naberať nový smer.

Vzhľadom na zrušenie prevádzkovej podpory nových FV systémov formou garantovanej výkupnej ceny energie a na rozvoj batériových systémov sa teraz čím ďalej, tým častejšie realizujú tzv. hybridné fotovoltické (HFV) systémy, ktoré cielia na využitie elektrickej energie pre vlastnú spotrebu priamo na mieste výroby.

Spolu s tým začínajú naberať na význame nové koncepty riadenia využívajúce predikciu výroby FV zdrojov a lokálnej spotreby, riadenie spotrebičov, pasívne solárne zisky či vlastné tepelné kapacity budovy. Cielené predchladzovanie či predkúrenie budovy možno vhodne využiť v časoch nízkej ceny energie z distribučnej siete alebo prebytku energie z FV zdroja, ktorá by inak bola lokálne nevyužitá.

Administratívna budova Fenix

Novostavba budovy spol. Fenix Group, a. s., v Jeseníku bola uvedená do prevádzky v máji 2016, navrhnutá a realizovaná bola v štandarde budovy s takmer nulovou potrebou energie (nZEB), čo je nevyhnutná požiadavka na všetky nové administratívne budovy od roku 2020. Cieľom voľby tejto koncepcie bolo demonštrovať a overiť daný koncept a testovať budovu v rôznych režimoch, o ktorých sa zmienime ďalej.

Okrem precízne navrhnutého stavebného vyhotovenia zabezpečujúceho nízku prevádzkovú energetickú náročnosť využíva budova hybridný fotovoltický (HFV) systém s akumulátorovým úložiskom a zákazkovo vyvíjaným systémom riadenia. Ďalej sa podrobne monitoruje kvalita vnútorného prostredia v jednotlivých častiach budovy (teplota, vlhkosť vzduchu, koncentrácia CO₂ a prchavých látok), spotreba a teplota vody z radu a vonkajšie klimatické podmienky merané meteostanicou spolu so snímačmi osvitu určenými pre FV systémy.

Spotreba elektrickej energie sa meria a zaznamenáva každú minútu v 12 nezávislých okruhoch podľa typu spotrebičov. Takéto podrobné meranie umožní analyzovať spätné správanie osôb a inštalovaných systémov s ohľadom na možnosti prispôsobenia odberov požiadavkám distribučnej sústavy a aktuálnej výroby FV zdroja.

Vykurovanie budovy zabezpečuje kombinácia elektrických priamovýhrevných a plošných elektrických vykurovacích plôch. Celkový elektrický príkon systému na vykurovanie budovy je 11,1 kW, vykurovanie vonkajších plôch má elektrický príkon 1,6 kW.

Obr. 1 Južný pohľad na budovu

Systém vykurovania sa ovláda a riadi po jednotlivých miestnostiach. Chladenie vnútorných priestorov zabezpečujú vnútorné cirkulačné jednotky vo vybraných priestoroch, pričom centrálna kondenzačná jednotka (tzv. multisplit systému) je umiestnená na streche. Súčasne sa privádzaný vzduch chladí vo VZT jednotke pomocou priameho výparníka. Kondenzačná jednotka je umiestnená na streche objektu.

Obsluhované priestory sa vetrajú centrálnym vzduchotechnickým (VZT) systémom. VZT jednotka je umiestnená v technickej miestnosti. Maximálny objemový prietok jednotkou je 1 400 m³/h, hygienické minimum predpokladá objemový prietok vetracieho vzduchu 390 m³/h. Jednotka má priamy výparník chladenia a elektrický ohrievač. V jednotlivých podlažiach sa vetrací vzduch distribuuje pomocou plochých kanálov. Rozvody sú rozdelené na tri výkonnostné, samostatne oddelené režimy po jednotlivých podlažiach, pričom každá časť má regulačnú a uzavieraciu klapku.

Príprava teplej vody na užívanie v kuchynke a v sociálnom zariadení sa zabezpečuje lokálne pomocou elektrického ohrievača teplej vody [2].

Koncept hybridného fotovoltického systému

Už od počiatku sa kládla požiadavka na maximálnu konfigurovateľnosť HFV systému a možnosť jeho testovania v rôznych režimoch s ohľadom na distribučnú sieť a spotrebiče a technológie inštalované v budove.
Pre energetiku budovy môže HFV zabezpečovať tieto funkcie [3]:

Maximalizácia využitia lokálne vyrobenej energie z FV v budove
Energia získaná FV zdrojom sa využíva maximálne lokálne, nadbytok energie sa akumuluje na následné lokálne využitie v budove.

Možnosť podpory zabezpečenia 15-minútového maxima susednej výrobnej haly
Nová administratívna budova je fyzicky pripojená do rozvádzača jestvujúceho výrobného areálu. Tak vzniká možnosť testovať prevádzku a balansovať odbery súčasne s týmto areálom.

Riadenie spotrieb v objekte
Riadiaci systém umožní odovzdávať ďalším systémom TZB informáciu o energetickej situácii tak, aby na ňu mohli reagovať napríklad znížením spotrieb v budove.

Balansovanie odberu budovy s ohľadom na obmedzený maximálny príkon
Akumulátorové úložisko vyvažuje krátkodobé odberové špičky v objekte, a tak prispieva k väčšej rovnomernosti odberovej krivky.

Balansovanie odberu s ohľadom na tarifu energie
Systém je pripravený na budúce rozšírenie na využitie viactarifných sadzieb energie aj flexibilného vnútrodenného trhu s energiou.

Podpora siete
Systém je pripravený na budúce rozšírenie a na vyvažovanie distribučnej siete, t. j. môže pôsobiť ako aktívny prvok v rámci inteligentnej energetickej siete.

Inštalovaný HFV systém sa skladá z fotovoltických modulov, ktoré pokrývajú prevažnú časť rovnej strechy (celkový inštalovaný výkon 7,28 kWP), z lítium- iónových akumulátorov (cca 20 kWh využiteľnej energie), regulátora nabíjania a zostavy 3 ks hybridných jednofázových meničov, z ktorých každý má výkon 5 kW (obr. 2). Tým vznikol 3-fázový systém, ktorý je pripojený na rozvody v budove, pričom meniče možno jednotlivo riadiť, čím možno meniť výkon dodávaný/odoberaný z každej fázy zvlášť.

Obr. 2 Pohľad do technickej miestnosti na inštalovaný HFV systém

Tieto funkcie sú dôležité vzhľadom na meranie odberu elektrickej energie z distribučnej siete po fázach, ako si v súčasnosti vyžaduje legislatíva v Českej republike (vyhláška č. 82/2011 Sb). Keďže je akumulátor spoločný pre všetky jednofázové meniče, vhodným riadením možno zabezpečiť medzifázové vyrovnávanie odberu z distribučnej sústavy.

Existujú dve základné možnosti, ako takýto systém zapojiť do budovy. Prvou možnosťou je paralelné pripojenie na sieť budovy, t. j. ako samostatný prvok balansujúci energetickú sieť v budove. V tomto prípade je prevádzka budovy nezávislá od prevádzky HFV systému.

Ten môže mať navyše výrazne menší výkon než súčinne používané spotrebiče v budove. V bežnej prevádzke pomáha vyrovnávať odberové špičky a zabezpečuje maximálne lokálne využitie FV zdroja, cez rovnaké pripojenie (vetva označená ako IN) je schopný v prípade požiadavky aj dobíjať z distribučnej siete akumulátory. V prípade výpadku elektrickej energie v distribučnej sieti sa vytvorí autonómna sieť (vetva označená ako OUT), na ktorú sa automaticky prepoja vytypované kritické spotrebiče (obr. 3).

Obr. 3 Bloková schéma zapojenia HFV systému paralelne na sieť budovy

Druhou možnosťou je vsadenie HFV systému medzi sieť budovy a distribučnú sieť (obr. 4). Takto sa realizuje väčšina hybridných systémov na rodinných domoch s menším výkonom. Výhodou je výrazne kratší reakčný čas pri riadení výkonu meniča. Všetka spotreba objektu prúdi cez menič, ktorý je schopný reagovať na zmeny v energetickej situácii objektu (kolísanie výkonu FV zdroja, spínanie a odpínanie spotrebičov), a to takmer okamžite.

Obr. 4 Bloková schéma zapojenia HFV systému vloženého medzi distribučnú sieť a sieť budovy

Ak je to žiaduce, možno zabezpečiť prakticky nulové prietoky elektrickej energie do siete a veľmi rýchle potlačenie odberových špičiek z distribučnej sústavy pri zopnutí výkonných spotrebičov. Nevýhodou je, že výkon všetkých spotrebičov prúdi cez menič, ktorý musí byť na toto výkonovo uspôsobený. Súčasne pri výpadku alebo servise meniča treba zabezpečiť prevádzku spotrebičov v budove (napríklad jeho premostením), vypnutím HFV systému sa odpoja okruhy v budove od napájania.

Na budove Fenix sa od jej spustenia skúšali oba spôsoby pripojenia. V prvom roku prevádzky 2016 to bol koncept podľa obr. 3. Následne, keď sa preukázalo, že je HFV systém a jeho nadradené riadenie dostatočne odladené a stabilné, bolo v januári 2017 vzhľadom na požiadavku krátkeho reakčného času riadenia upravené zapojenie podľa obr. 4.

Systém komunikácie a riadenia

Centrálnym uzlom, na ktorý sú cez komunikačné linky napojené jednotlivé technológie a tiež HFV systém, je PLC výrobcu TECO, a. s., umiestnený v rozvádzači monitoringu. Tento PLC ďalej obojsmerne komunikuje so serverom na ČVUT UCEEB na získavanie informácií o predpovedi počasia (PV Forecast, www.pvforecast.cz), ktoré sa využívajú na stanovenie vhodného riadenia akumulátorového úložiska a zabezpečenie všetkých požadovaných funkcií systému (obr. 5).

Obr. 5 Bloková schéma systému dátovej komunikácie a riadenia

Ďalej sa využíva služba PV Forecast prevádzkovaná ČVUT UCEEB, experimentálne sa po novom testuje využitie kombinácie krátkodobej a dlhodobej predikcie so spätnoväzobným spresnením modelu [4].
Na sledovanie prevádzky budovy sa vytvoril monitorovací portál. Jeho verejná verzia ponúka nielen online sledovanie, ale aj zobrazenie historických dát s mierne obmedzenými možnosťami oproti plnej verzii pre prevádzkovateľov budovy [5]. Systém možno diaľkovo riadiť a programovať, čo je nevyhnutným základom na jeho vývoj a ladenie prevádzky.

Výsledky z prevádzky

V súčasnosti sú k dispozícii dáta o chode budovy za takmer celý rok od jej uvedenia do prevádzky. Napriek tomu treba povedať, že v prvých mesiacoch sa postupne ladili systémy budovy a aj počas ďalšej prevádzky sa skúšali rozličné prevádzkové režimy energetického hospodárstva budovy (napríklad plná autonómia budovy v čase nízkej tarify alebo zabezpečenie minimálneho pripojiteľného výkonu k distribučnej sieti).

Výsledky výroby energie a jej spotreby v budove sa dobre zhodujú so simuláciou vykonanou pred realizáciou stavby, kedy sa predpokladala vlastná sebestačnosť budovy pomocou energie HFV systému vo výške 23 %. V súčasnosti (28. 5. 2017) je energetická sebestačnosť budovy na úrovni 20 %, pričom sa veľmi často vykonávali rôzne testy a prebiehali režimy spôsobujúce straty energie, s ktorými sa pôvodne nepočítalo.

Doterajšie výsledky ukazujú, že na pripojenie uvedenej budovy do distribučnej siete je istenie 3 × 25 A postačujúce (aj počas zimného obdobia). Ak zvážime automatické riadenie vypnutia niektorých spotrebičov s nízkou prioritou (napríklad vonkajšie vykurovacie parkovacie zóny) a drobné zníženie tepelného komfortu v zime na krátke časové úseky, postačuje aj istenie 3 × 20 A.

Ďalej sa ukazuje, že útlmový režim vykurovania/klimatizácie počas nočného obdobia nemá podstatný vplyv na úspory energie. Naopak, ranná špička odberu, ktorá týmto spôsobom vzniká, predstavuje problém z hľadiska dodávky energie a záťaže distribučnej siete či batérií. Útlmový režim počas dní pracovného pokoja sa s výhodou využíva.

Na obr. 6 vidieť priemernú spotrebu technológií podľa typu vo vybraných mesiacoch roka 2016. Od októbra výrazne narástla spotreba vykurovaním, oproti letu klesla spotreba na chladenie a, naopak, mierne stúpla spotreba pri osvetlení. Výrazne sa znížila spotreba vzduchotechniky (VZT) – hlavne z dôvodu zavedenia riadenia podľa merania vnútorného prostredia (podľa CO₂ a vlhkosti).

Obr. 6 Priemerná denná spotreba technológií v budove podľa typu

Príklad odberového profilu počas pracovného dňa mimo vykurovacej sezóny ukazuje obr. 7. Zásuvkový okruh (odber IT techniky a kuchynky) tvorí podstatnú zložku celkovej spotreby objektu počas pracovného času.

Obr. 7 Vybraný odberový profil počas dňa mimo vykurovacej sezóny

Oproti uvedenému predchádzajúcemu príkladu platí, že počas vykurovacej sezóny spotreba energie na vykurovanie výrazne dominuje nad ostatnou spotrebou v objekte. Klesá medzi 10:00 a 17:00 h, kedy boli nižšie nároky na vykurovanie vďaka tepelným solárnym ziskom budovy a tepelnej energii emitovanej vo vnútri budovy prevádzkou spotrebičov (obr. 8).

Obr. 8 Vybraný odberový profil počas dňa vo vykurovacej sezóne

Záver

Administratívne budovy sú (na rozdiel od rezidenčných objektov) schopné omnoho lepšie a efektívnejšie využiť energiu z FV systému vďaka veľmi dobrej zhode výroby tohto zdroja a spotreby budovy. Inštaláciou HFV systému s akumuláciou elektrickej energie výťažnosť z FV zdroja ešte zvýšime a sme schopní zabezpečiť ďalšie služby pre energetiku budovy a prípadnú podporu distribučnej siete. Môže ísť napríklad o zabezpečenie prevádzky pri výpadku energie v distribučnej sieti alebo o možnosť zníženia istenia zo strany distribučnej siete.

Dá sa realisticky predpokladať, že s postupným poklesom cien batériových systémov záujem o podobné inštalácie výrazne vzrastie. Kľúčovým momentom na zabezpečenie rozličných uvedených funkcií tohto systému je jeho riadenie, a to v spolupráci s inštalovanými technológiami v budove, a získavanie dodatočných informácií (napríklad predpovede počasia, predpovede spotreby energie v budove či premennej ceny elektrickej energie).

Literatúra
1. Ročná správa o prevádzke ES ČR. 2015. ERÚ. Praha 2016.
2. Urban, M. – Bejček, M. a další: Koncept administrativní budovy jako budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Alternativní zdroje energie, Kroměříž, 2016.
3. Wolf, P. – Včelák, J. a další: Chytrá energetika pro administrativní budovu. Alternativní zdroje energie, Kroměříž, 2016.
4. Webová služba PV Forecast, dostupné online na: http://www.pvforecast.cz.
5. Webová služba monitoringu, dostupné online na: http://data.fenixgroup.cz.

Ing. Petr Wolf, PhD., Erik Novák, MSc., Ing. Jan Včelák, PhD., ING. Miroslav Urban, PhD.
Autori pôsobia v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov (UCEEB) ČVUT v Prahe.
Foto a obrázky: autori

Táto práca bola podporená MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Hustechnik 3/2017.