Analýza hospodaření s energií v budovách
Nový pohled na využívání centralizovaných a decentralizovaných zdrojů energie v budovách, zvyšování podílu energie z obnovitelných zdrojů a nové možnosti využití sdílení energie v komunitách přinášejí do oblasti hospodaření s energií nová technická řešení, která se budou v dalších letech více rozšiřovat. Tento článek se zabývá analýzou využití potřebné a přebytečné/nevyužité energie v lokalitě s vhodnou skladbou typů budov a využitelným energetickým potenciálem.
Úvod
Existují provozy, při kterých v budovách vzniká energetický potenciál, který není možné využít v dané budově, ale může být vhodný pro budovy a provozy v okolí. Lze tak využít tepelné kaskády a přebytečné teplo s nižším energetickým potenciálem zhodnotit v systémech v budovách, které jsou pro využití vhodné. Obecným příkladem je tzv. energetická/tepelná kaskáda znázorněná na obr. 1 a možnosti sdílené komunitní energetiky, která se zavádí i v ČR.
Obr. 1 Energetická kaskáda
Pilotní lokalita pro analýzu hospodaření s energií
Úkolem analýzy v pilotní lokalitě v Holandsku bylo zhodnotit možnost propojení sousedících prvků do místní vzájemně nezávislé tepelné sítě, která přináší konkrétní přínosy pro zlepšení životního prostředí. Dále analyzovat časový nesoulad potřeb a dodávky energie a navrhnout doplnění lokality o provoz za účelem snížení ekologické stopy způsobené nákladní automobilovou dopravou při dovozu ovoce a zeleniny do supermarketu.
Je třeba zdůraznit, že cílem analýzy nebyl definitivní návrh tepelné sítě, ale spíše zjištění praktických možností využití energie a snížení zátěže životního prostředí.
Na obr. 2 je znázorněna pilotní lokalita. Na analyzovaném území se nalézá supermarket, je uvažováno s doplněním skleníkem, energeticky využitelná komunikace a rozsáhlejší obytná část.
Obr. 2a Pilotní lokalita v Holandsku uvažovaná pro analýzu
Obr. 2b Detail pilotní lokality se supermarketem a skleníkem
Objekt supermarketu má plochu 708,4 m2. Celková spotřeba energie byla spočítána pro modelové řešení a činí 937 kWh/m2. Z toho 39 % je část spojená s provozem budovy a 61 % tvoří technologie, převážně se jedná o spotřebu elektrické energie.
Stávající zásobování supermarketu ovocem a zeleninou představuje spotřeba paliva nákladních vozidel, která urazí za týden vzdálenost 100 km. Pro palivo benzín to znamená 63,4 GJ/rok.
Na komunikaci o délce 6 km a šířce 6 m v pilotní lokalitě dopadá sluneční záření a lze z ní odhadem ročně získat až 21600 GJ tepla.
Obytná část lokality zahrnuje 400 obytných domů: 250 řadových domů s vytápěnou plochou 106 m2 s celkovou roční spotřebou primární energie 5066 GJ (53,1 kWh/m2), 50 rohových domů s vytápěnou plochou 106 m2 s celkovou roční spotřebou primární energie 1142 GJ (59,9 kWh/m2), 60 rodinných dvojdomků s vytápěnou plochou 137 m2 s celkovou roční spotřebou primární energie 1808 GJ (61,1 kWh/m2) a 40 samostatně stojících rodinných domků s vytápěnou plochou 198 m2 s celkovou roční spotřebou primární energie 1636 GJ (57,4 kWh/m2). Celková roční spotřeba primární energie bytových domů je 9652 GJ/rok.
Celkový záměr analýzy
Záměrem celkové analýzy byl rozbor možností energetického propojení jednotlivých částí lokality do místní tepelné sítě, která přináší konkrétní přínosy pro životní prostředí a efektivní využití energie. Z pohledů snížení uhlíkové stopy byl v lokalitě navržen v blízkosti supermarketu skleník, který redukuje negativní vliv způsobený nákladní dopravou při zásobování ovocem a zeleninou.
Stávající stav dodávky energie je znázorněn na obr. 3, kde jsou napojeny na elektrickou síť budova supermarketu a obytné budovy a zároveň jsou obě části napojeny také na rozvod zemního plynu. Samostatně jsou bez připojení na energetické sítě znázorněny části komunikace a nákladní dopravy.
Obr. 3 Původní napojení na distribuční sítě (elektřina a plyn)
Úloha čtyř součástí lokality v síti pro výměnu tepelné energie
Původní systém byl doplněn o skleník, který nahradil část systému zásobování. S využitím dynamických simulací modelů objektů v pilotní lokalitě z hlediska energetické bilance se zaměřením na potřebu tepla a chladu bylo možné přistoupit k analýze chování dílčích systémů a potřebám vyřešení nesouladu mezi produkcí a potřebou tepla/chladu. K tomuto účelu se lokální energetický systém doplnil o akumulaci. Jako vhodný pro danou lokalitu byl zvolen systém akumulace tepla do podloží.
Výpočet a simulace energetických toků v supermarketu ukázaly, že supermarket při požadované teplotě kolem 21 °C vyžaduje neustálé chlazení kvůli velkým vnitřním tepelným ziskům. Potřeba chlazení je navíc ovlivněna ročním obdobím, činností a přítomností zákazníků.
Vnitřní teplota skleníku byla nastavena v rozmezí 18,5 °C až 26,5 °C. Skleník vyžaduje od 15. října do 15. dubna velké množství tepla, aby byla zajištěna teplota nad 18,5 °C. To závisí na typu skla, izolaci a stupni větrání. Po zbytek roku skleník vykazuje velké množství přebytečné tepelné energie.
Povrchová vrstva pozemní komunikace v letních měsících a v některých dnech jarních a podzimních měsíců absorbuje obrovské množství slunečního tepla, což ji zařadilo vedle supermarketu a skleníku jako třetí zdroj tepelné energie. V této síti je komunikace v chladném období roku spotřebitelem tepelné energie. Domy vykazují potřebu tepla od 15. října do 15. dubna. Všechny domy byly upraveny tak, aby dosáhly úrovně NZEB a snížila se tak jejich potřeba tepla.
K uzavření okruhu toku energie a vyrovnání nesouladu v časových průbězích bylo potřeba zakomponovat centrální prvek, který spojuje prvky tepelné sítě a je schopen řešit procesy zásobování teplem nebo chladem podle ročního období a potřeby. Tímto prvkem je tepelně akumulační systém.
V podmínkách Holandska se využívají systémy ATES (Aquifier Thermal Energy Storage). Jedná se o dva vrty: jeden studený a jeden teplý. V létě se ze studeného vrtu odebírá podzemní voda. Ta prochází výměníkem tepla, aby následně ochlazovala budovu. Teplo z budovy se předává podzemní vodě, která se pak napouští do teplého vrtu. V zimě se postupuje opačně: z teplého vrtu se odebírá teplá voda, která se používá k vytápění budovy. Ke zvýšení teploty akumulované vody, která má obvykle maximální teplotu 25 °C, je zapotřebí tepelné čerpadlo. Ochlazená podzemní voda se opět napouští do studeného vrtu. Ročně musí být odebrané teplo a studená voda v rovnováze.
Lze také využít zemní výměníky tepla v kombinaci s tepelným čerpadlem k chlazení a vytápění budov.
Na obrázcích 4 a 5 jsou znázorněny teoretické tepelné role 4 partnerů (obytné domy, supermarket, skleník, pozemní komunikace) v teplém a v chladném období roku. Z obrázků je patrné, zda v daném období dochází k výdeji nebo spotřebě tepla.
Obr. 4 Toky tepla/chladu v teplém období ve čtyřech částech lokality
Obr. 5 Toky tepla/chladu v chladném období ve čtyřech částech lokality
Závěr
Prezentované téma je poměrně široké a v aktuálním článku chtěli autoři poukázat na některé hlavní myšlenky při analýze lokálních zdrojů energie a možnosti jejich propojení. Projekty na využití lokálního nevyužitého tepla z průmyslových provozů, nemocnic a obchodů pro vytápění byly úspěšně realizovány v mnoha zemích v Evropě i mimo ni, ale tyto projekty zůstávají zatím ojedinělé a závisí na existenci budov a provozů, které disponují nevyužitou energií. S rostoucím tlakem na úsporu energie, snižování nákladů na její nakupování a zlepšování kvality životního prostředí bude nutné zabývat se i menšími energetickými zdroji, které byly v minulosti považovány za nevýznamné. Analýza možnosti propojení čtyř původně nezávislých energetických systémů a jejich doplnění o nové potřebné prvky, které umožňují efektivní a funkční provozování nového komunitního systému, naznačuje směr, který bude vhodné zvážit při plánování úprav vybraných území a při úvahách o změně systémů dodávky energie.
Literatura
- HIRŠ, J., DERMEKOVÁ, S., WAWERKA, R., VOLAŘÍK, T., MOHELNÍKOVÁ, J. Information modelling process based on integrated data acquisition, Energy and Buildings, Volume 130, 2016, str. 122–130, ISSN 0378-7788.
- BADAI, A. Environmental benefits through Storage, Exchange of thermal energy in smart city, Journal of Engineering, 27(3), str. 130–142, 2021, ISSN 1726-4073.
- Projekt TE02000077, Smart Regions – Buildings and Settlements Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development, TA ČR – Centra kompetence (2014–2019).
- KOMÍNEK, P., HIRŠ, J. The Use of a Mathematical Model for the Management and Distribution of Heat, Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1662-7482, Vol. 824, str. 299–306, 2016, Trans Tech Publications, Switzerland.
- CAAT, N., GRAAMANS, L., TENPIERIK, M., DOBBELSTEEN, A. Towards Fossil Free Cities – A Supermarket, Greenhouse & Dwelling Integrated Energy System as an Alternative to District Heating: Amsterdam Case Study. Energies 2021.
https://doi.org/10.3390/en14020347 - HIRŠ, J., BADAI, A. SMART Solutions for Energy Saving and Better Indoor Environment, REHVA European HVAC Journal, ISSN: 1307-3729, Vol. 60, str. 31–34, 2023, Teknik Sektör Yayinciliği A.Ş., Istanbul, Turecko.
Tento článek vznikl s využitím výsledků projektu Centra kompetence TE02000077 s finanční podporou Technologické agentury ČR.
Sdílení energie na úrovni komunit je aktuální téma, které přináší nové podněty k řešení nejen distribuce ale i užití energie v budovách. Článek popisuje zajímavý návrh koncepce řešení tohoto problému ve specifických podmínkách Holandska a zabývá se i možnostmi využití těchto principů u nás. Doporučuji k vydání.
New perspectives on the use of centralised and decentralised energy sources in buildings, the increasing share of renewable energy and new opportunities for energy sharing in communities are bringing new technical solutions to the field of energy management, which will become more widespread in the years to come. This paper deals with the analysis of the use of needed and surplus/unused energy in a locality with an appropriate mix of building types and usable energy potential.
