Optimalizácia využitia solárnej energie pomocou BIM

Staviteľstvo exponenciálne smeruje k využívaniu obnoviteľných zdrojov energie pri všetkých typoch stavieb, pričom solárna energia je jednou z alternatív, ktorú možno uplatniť v dobrom pomere nárokov na priestor, cenu aj výsledný úžitok. Informačné modelovanie stavieb predstavuje moderný a efektívny spôsob riešenia stavieb s ohľadom na všetky aspekty životného cyklu. Základom je dôsledné plánovanie a tvorba simulácií a analýz v predinvestičnej fáze projektu, keď možno jasne stanoviť najefektívnejší výsledok a ovplyvniť životnosť stavby, náklady na jej prevádzku aj výslednú využiteľnosť. 

Formou simulácií, analýz a osadením modelu budovy do jej budúceho prostredia, kde hrajú úlohu klimatické podmienky, okolitá zástavba alebo územné plánovanie, môžeme predpovedať využiteľnosť solárnej energie danej budovy a stanoviť ideálny model. Solárne systémy ovplyvňujú aj vnútorné usporiadanie budovy, technológie a ďalšie prvky, ktoré nadväzujú na využitie solárnej energie. Je teda dôležité kvalitne plánovať a venovať sa tvorbe analýz už v predinvestičnej fáze projektu s ohľadom na všetky budúce aspekty a cieľ, aby výsledná budova bola nízkonákladová a šetrná k životnému prostrediu.

Pri solárnych termických systémoch ide o využívanie obnoviteľného zdroja energie. Obnoviteľné zdroje pritom predstavujú veľmi diskutovanú tému najmä v súvislosti s implementáciou záväzkov daných v smernici 2009/28/ES, a to predovšetkým z hľadiska plnenia záväzného cieľa vyrábať od roku 2020 20 % spotreby energie práve obnoviteľnými zdrojmi.

Informačné modelovanie stavieb (BIM) rastie exponenciálne v súvislosti s globálnou digitalizáciou všetkých odborov, ale najmä s nastupujúcim fenoménom Priemysel 4.0, resp. Stavebníctvo 4.0. Ide o proces zahŕňajúci celý životný cyklus stavieb, ktorý prepája jednotlivých účastníkov výstavby pri vzájomnej spolupráci na jednom informačnom modeli. Komplexný 3D model obohatený o informácie na úrovni jednotlivých prvkov je základným prvkom metódy BIM. Do procesu ideálneho návrhu stavby touto metódou patrí aj mnoho simulácií a analýz využívajúcich model stavby, okolitú zástavbu a prostredie, do ktorého stavbu umiestňujeme [1].

Článok sa zaoberá konkrétnou budovou materskej školy na reálnej parcele, ktorá sa nachádza v Ostrave v časti Mariánské Hory. Budova je navrhnutá v kompaktnom obdĺžnikovom tvare z dôvodu nízkeho počtu tepelných väzieb, a tým aj nižšej energetickej náročnosti. Zastrešenie je riešené plochou strechou, ktorá je najvhodnejším variantom na umiestnenie solárnych panelov, pričom aj vďaka nej budova lepšie zapadne do jestvujúcej okolitej zástavby a môže splniť prípadné podmienky regulačného plánu.

Solárny systém

V riešenej budove je navrhnutý aktívny termosolárny systém. Vyznačuje sa premenou slnečného žiarenia na teplo, ktoré možno ďalej využívať. Odvod tepla sa rieši potrubným systémom, v ktorom koluje teplonosná kvapalina. Všeobecné požiadavky na tieto rozvody sledujú snahu realizovať systém ako čo najkratší a dobre izolovaný proti tepelným stratám. Neoddeliteľnou súčasťou aktívneho systému je aj akumulačný zásobník, ktorého objem je nevyhnutné prispôsobiť počtu osôb v budove a predpokladanému odberu vody. Ohrev vody prebieha vždy nepriamo, teda cez výmenník v zásobníku.

Solárne kolektory možno využiť na prípravu teplej vody alebo na vykurovanie. Výber ideálneho typu solárneho kolektora sa odvíja od typu zapojenia. Solárne termické kolektory sa delia na ploché, rúrkové a koncentračné. Pri budovách občianskej vybavenosti volíme ploché alebo rúrkové kolektory.

Konštrukciu plochých solárnych kolektorov tvorí nosný rám, izolácia, transparentná vrstva, absorbér a systém odvodu tepla z kolektora. Plochý kolektor dosahuje menšie účinnosti a je vhodnejší na zapojenie do systému na prípravu teplej vody. Rúrkový vákuový kolektor má už komplexnejšiu konštrukciu, ktorá sa skladá z určitého počtu rúrok. Vo väčších rúrkach sú umiestnené menšie rúrky s teplonosnou kvapalinou. Priestor medzi vonkajšou a vnútornou rúrkou je vyplnený vákuom. Vákuové kolektory sú žiaduce najmä pri zapojení do systému vykurovania, keďže sú schopné vyrábať teplo aj v horších klimatických podmienkach, teda v zime.

Využitie BIM pri návrhu solárnych panelov

Informačné modelovanie stavieb (BIM) by malo byť komplexným návrhom stavby vrátane technického zariadenia budovy vytvoreným pomocou 3D realistického modelu obohateného o informácie. Solárne systémy majú veľmi špecifické parametre, pričom ich návrhu by malo predchádzať kvalitné posúdenie budovy a poznanie klimatických podmienok [3]. Všeobecné návrhy však neriešia umiestnenie stavby na konkrétne miesto v zástavbe a nepočítajú so simuláciami budúceho stavu. Ak je umiestňovaná stavba obklopená výškovými budovami či inými prvkami, bude návrh solárneho systému ovplyvnený zatienením. Taký návrh potom nie je efektívny a má za následok zmeny návrhu systému. Kvalitnou simuláciou budúcich javov a komplexného stavu objektu však môžeme týmto problémom predchádzať.

Informácie v modeli

Základom metódy BIM je informovanosť. Dáta obsiahnuté v modeli reflektujú budúci stav budovy a užívatelia, ktorí s modelom pracujú v rôznych fázach životného cyklu stavby, tak z týchto informácií môžu efektívne čerpať. Komplexné informácie a prehľad celého systému možno z modelu vygenerovať do výpisu prvkov vrátane cien, materiálov a iných špecifikácií, ktoré si môžeme sami nadefinovať. Na základe týchto informácií poznáme skutočné náklady na zriadenie solárneho systému, a ak BIM model prepojíme s CAFM systémom, môžeme ho využiť aj s priloženými dokumentáciami a informáciami o revíziách, kontrolách a prípadných opravách. Model v sebe nesie informácie o zhotoviteľovi systému, záruke alebo životnosti jednotlivých prvkov [3].

Plánovanie a využitie modelu

Ďalším prínosom je komplexný návrh skutočného stavu systému. Vo fáze plánovania, pred realizáciou stavby, tak poznáme kompletný zoznam prvkov (armatúr) na potrubí, dĺžky a iné špecifikácie navrhovaného potrubia. Vytvorením komplexného modelu stavby zistíme všetky problémové miesta, staticky nosné konštrukcie alebo vedenie ďalších inštalácií v objekte, čím môžeme daný návrh upraviť do podoby ideálneho návrhu [3].

Reálny 3D model stavby využijeme pri kontrole kolízií s ďalšími konštrukciami a inštaláciami v objekte alebo na ideálny (efektívny a úsporný) návrh systému. V modeli ihneď vidíme prípadné problémy s návrhom a môžeme upraviť napríklad dispozíciu objektu alebo umiestnenie systému a jednotlivých armatúr. Tieto predikcie problémov a ich včasné riešenie vo fáze plánovania ušetria mnoho nákladov pri realizácii a prevádzke stavby. Zmeny pri realizácii stavby sa zanesú do modelu, takže súbežne vzniká dokumentácia skutočného vyhotovenia stavby, ktorá po dokončení zodpovedá skutočnému stavu. Model by mal slúžiť počas celého života stavby [1].

Simulácia oslnenia a vplyv okolitej zástavby

Štúdia oslnenia (zatienenia) v klasickom prípade hodnotí, v ktorom dennom čase je byt či vonkajší priestor oslnený. V našom prípade umožňuje štúdia oslnenia posúdiť aj vplyv susedných stavieb na oslnenie solárnych kolektorov a určiť tak ich najvhodnejšiu polohu na streche budovy. Na štúdiu oslnenia sa využil softvér ArchiCAD. Na základe priebehu tieňov od okolitých budov sa prehodnotil pôvodný návrh umiestnenia solárnych kolektorov priamo nad technickou miestnosťou na vzdialenejšie, no menej zatienené miesto na severozápadnej strane strechy.

Z obr. 1 je zrejmé kompletné zatienenie kolektorov, ktoré znižuje efektivitu sústavy. Takýto nevhodný návrh, ktorý by mohol vzniknúť, ak by sa neposudzoval komplexne reálny model stavby osadený do budúceho prostredia zástavby, môže viesť k neekonomickému a neefektívnemu výsledku. Pridaná hodnota informačného modelu stavby a možnosť tvoriť reálne simulácie konkrétnych situácií tak v takomto prípade výrazne ovplyvňujú výsledný návrh.

Obr. 1 Ukážka vplyvu vhodného umiestnenia kolektorov na streche
vľavo pôvodný návrh s kompletným zatienením kolektorov, vpravo prehodnotený návrh

Prepočet návratnosti systému

Pri oboch typoch zvažovaných solárnych kolektorov (plochý aj rúrkový kolektor) sa vykonal podrobný výpočet vplyvu zvoleného sklonu a azimutu na návratnosť systému. Výpočet sa realizoval za predpokladu využitia solárnych kolektorov na prípravu teplej vody pomocou zjednodušenej bilančnej metódy. Z vytvorených grafov vyplynulo, že možno ročne ušetriť až 14-tisíc Kč (okolo 550 €) len správnou orientáciou a náklonom kolektorov (obr. 2).

Pri obstaraní solárneho systému s plochými kolektormi je pri ideálnych podmienkach (sklon 45^o a azimut 0^o od juhu) návratnosť  5 rokov. Pri zhoršených podmienkach narastie návratnosť na 8,5 roka. Zapojenie vákuových kolektorov znamená väčšiu investíciu, a tým aj dlhšiu návratnosť – konkrétne 7,5 roka pri ideálnej orientácii a až 12 rokov v zhoršených podmienkach. Oba výpočty návratnosti však boli založené na predpoklade, že kolektory majú maximálny možný prísun slnečného žiarenia. V prípade, keď okolité budovy zatieňujú kolektory v priemere 2 h denne, sa výťažok z kolektorov znižuje. Pri plochom kolektore je zisk menší cca o 16 %, vákuový kolektor má dokonca stratu až 23 %.

Obr. 2 Vplyv sklonu a azimutu na ročnú úsporu

Ideálny návrh riešenia

Ako teda postupovať pri návrhu ideálneho riešenia? Dôležité je vybrať vyhovujúce umiestnenie pre solárne kolektory. Treba si uvedomiť, či máme v úmysle využívať solárny systém na prípravu TV alebo na vykurovanie. Na základe týchto informácií treba potom zvoliť vhodný sklon kolektorov. Ďalším faktorom ovplyvňujúcim návrh systému je blízkosť okolitej zástavby a jej možnosť tienenia kolektorov. Využitím 3D modelu vloženého na konkrétne miesto v zástavbe a vytvorením simulácie oslnenia sa vymenil pôvodný návrh sústavy.

Výsledné straty v dlhšom potrubí nemajú pri vhodnej izolácii zďaleka taký zásadný vplyv na zníženie ziskov zo solárneho systému, ako má tienenie zástavbou. Ak vychádzame z reálneho modelu stavby riešeného ako BIM model, nájdeme viac uplatnení. Použitím ideálnych materiálov, výrobcov alebo iných špecifických parametrov a zanesením týchto informácií už do návrhu vo fáze projektu môžeme ovplyvniť aj náklady na stavbu [2].

Záver

Využitie slnečného žiarenia predstavuje veľmi častú alternatívu využitia obnoviteľných zdrojov, ktoré sú verejnosti relatívne ľahko finančne prístupné a zároveň si vyžadujú pomerne jednoduché technické riešenie. Návrh takejto sústavy závisí prakticky od optimálneho nastavenia vzhľadom na pohyb slnka po oblohe. Všeobecné pravidlá sklonu solárnych panelov, priame nastavenie na juh a snaha o čo najkratší potrubný systém však nemusia viesť vo finále k tomu najefektívnejšiemu riešeniu, ak budú kolektory časť dňa zatienené.

Správna analýza situácie a vyhodnotenie rôznych alternatív návrhov vo fáze plánovania umožnia zvoliť ideálne a efektívne riešenie nielen po technicko-ekonomickej stránke, ale aj nákladovej – vzhľadom na maximálny výkon sústavy. Informačné modelovanie stavieb (BIM) ukazuje možnosť, ako tieto simulácie vytvárať na reálnom modeli a ako vyhodnocovať a analyzovať rozličné situácie. Umožňuje plánovať a modelovať skutočný budúci stav objektu a inštalácie s informáciami o výmerách, cene a iných špecifikáciách a stanoviť tak ideálny koncept v budúcej lokalite objektu s prihliadnutím na všetky faktory – súčasné aj budúce.

Ing. Blanka Chudíková, Ing. Michal Faltejsek
Autori pôsobia na Stavebnej fakulte VŠB – TUO v Ostrave-Porube.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Obrázky: autorky
Príspevok vznikol s podporou z fondov Koncepčného vývoja vedy, výskumu a inovácií na rok 2017 pridelených VŠB-TUO Ministerstvom školstva, mládeže a telovýchovy Českej republiky.

Literatúra

1. EASTMAN, Ch. – TEICHOLZ, P. – SACKS, R. – LISTON, K.: BIM Handbook. A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers, and Contractors. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2008.
2. SMITH, D. K. – TARDIF, M.: Building information modeling: a strategic implementation guide for architects, engineers, constructors, and real estate asset managers. Hoboken, NJ: Wiley, 2009.
3. SANCHEZ, A. X. – HAMPSON, K. D. – VAUX, S.: Delivering Value with BIM, A whole-oflife approach. London a New York: Routledge, 2016.
4. WEI, X. – BONENBERG, W. – ZHOU, M. – WANG, J. – WANG, X.: The case study of BIM in urban planning and design. In: Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 600, pp. 207 – 217, 2017.
5. ŠIKULA, O. – MERKA, V. – HIRŠ. J. – PLÁŠEK, J.: Maximization of solar gains of an air collector by simulations. In: Applied Mechanics and Materials, vol. 284-287, pp 483-487, 2012.
6. LAUSOVÁ, L. – SKOTNICOVÁ, I.: Analysis of experimental measurements and numerical simulations of a heat field in the light weight building structure. In: Advanced Materials Research, vol. 969, pp. 33 – 38, 2014.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 3/2018.