Letní škola TZB, aneb co v osnovách nebylo…

V prostředí městečka Český Šternberk se od 7. do 9. září konala již 9. letní škola TZB, kterou pořádá Katedra technických zařízení budov Fakulty stavební ČVUT v Praze ve spolupráci se Společností pro techniku prostředí.

Pravidelně se každým rokem opakuje událost, která přináší studentům magisterského studia možnost se při týmové práci naučit něco nového z oblasti technických zařízení budov. V letošním roce jsme pokračovali s aktuálním tématem TZB pro domy s (téměř) nulovou spotřebou energie a byli jsme velmi zvědaví, jak v této oblasti další generace studentů zpracuje energetickou koncepci.

Letní škola začala ve středu odpoledne příjezdem účastníků a zástupců sponzorů. Letos se letní školy zúčastnilo 18 studentů z Prahy, Brna, Bratislavy a Košic. Program odstartoval nabitým blokem přednášek až do pozdního večera a i následného čtvrtečního rána. Celé téma bylo uvedeno celkem jednatřiceti přednáškami. Přednášejícími byli studenti doktorského programu z naší katedry, hosté ze spřátelených kateder TZB z Brna, Bratislavy a Košic a zástupci společností podporujících letní školu TZB. V pozdních večerních hodinách studenti podstoupili náročné rozřazení do jednotlivých týmů pod vedením Ing. Magdy Kadlecové, CSc. Celkem vzniklo 5 týmů složených z 3 až 4 studentů.

Čtvrteční program byl zaplněný work­shopem, ve kterém týmy pod odborným dohledem samostatně pracovali na zadání. Cílem pro každou skupinu bylo, v roli projektanta a konzultanta pro navrhování energetických systémů budov, navrhnout a následně posoudit energetickou koncepci administrativní budovy tak, aby se celková dodaná energie do budovy blížila nule.

Objekt, který byl zadán ve formě architektonické studie, byla administrativní budova. Jednalo se o kompaktní, šestipodlažní administrativní budovu s ustupujícím sedmým nadzemním podlažím a se dvěma podlažími v suterénu. Budova je navržena jako dispoziční trojtrakt a je středním proskleným atriem rozdělená do dvou stejných částí. Tyto dvě části objektu jsou od 2. NP v prostoru atria vzájemně propojeny můstky. Schematické půdorysy vstupního a typického podlaží jsou na obrázku 1. Půdorysné rozměry nadzemní částí objektu jsou 58,58 × 40,18 m, výška od přízemí 23,2 m.

Přízemí je koncipováno jako vstupní podlaží s recepcí, kantýnou, kancelářskou plochou a prostory pro drobné doprovodné služby. Typická podlaží od 2. NP do 6. NP jsou řešená s maximálním využitím ploch pro kancelářské prostory. Podzemní prostory slouží jako hromadné garáže a jsou zde umístěny prostory pro strojovny.

Výpočtem byla stanovena návrhová tepelná zátěž budovy 658 kW a tepelná ztráta prostupem obvodovými konstrukcemi 122 kW.

Studentské týmy měly naplnit požadavky investora a architekta, kteří byli představováni odborným vedením Letní školy. Předmětem úkolu bylo navržení koncepce technického řešení zásobování objektu energiemi – řešení zdrojů energie, způsobu distribuce tepla, chladu a vzduchu a způsobu přípravy teplé vody. Koncepci posoudit v nástroji NKN a upravit s cílem dosáhnout co nejnižší spotřeby dodané energie. Pro řešení energetické koncepce bylo požadováno, aby skladba návrhu energetických systémů byla obhajitelná, nepředpokládalo se však tradiční řešení. Studenti měli svobodu v technickém řešení, byli povzbuzováni k integraci s­y­stémů využívající OZE, s tím, že se předpokládá, že budova nebude prodávat přebytek energie do sítě, ani dalším sousedním objektům a v budově nesmí docházet k maření produkované energie. Posledním bodem bylo provést hrubý odhad ceny navrženého zařízení v energetických systémech.

Podobně jako v minulém roce byla při závěrečných pátečních prezentacích ­řešení týmů bodově hodnocena. Základním kritériem s váhou 50 % byla pragmatičnost a proveditelnost návrhu, druhým kritériem byla skupina parametrických hodnot postihujících celkovou dodanou energii do budovy (40 %), primární energii dodanou do budovy (15 %), roční náklady budovy na energie (35 %) a cenu navrženého řešení (10 %).

První tým z páteční prezentace si zvolil název skupiny „(vý)KVĚT“ a pracoval ve složení Mojmír Stuchlík, Jana Petlachová, Jana Ševčíková, Lucie Szabóová. Jimi navržená koncepce (obr. 2) ­obsahovala plynovou kogenerační jednotku doplněnou o absorpční chladicí jednotku s cílem trigenerací ideálně ­pokrýt celou potřebu tepla a chladu v budově. Vytápění a chlazení budovy zajistí systém aktivující nezakrytou železobetonovou stropní konstrukci doplněný o centrální klimatizaci s rozvodem vzduchu po celé budově. V příhodných podmínkách venkovního prostředí se využije nočního předchlazení venkovním vzduchem přiváděným ­otvory ve fasádě a odváděným světlíky ve střeše atria. Z pohledu řízení jednotlivých systémů byla budova rozdělena podle světových stran na 4 zóny se ­zohledněním jednotlivých provozů.

Odhadnuté investiční náklady dosáhly výše 24,9 mil. Kč. Navržená energetická koncepce dosáhla roční měrnou spotřebu energie 200,5 kWh/m²·rok. Důvodem výrazně vysoké hodnoty je nízká účinnost výroby tepla kogenerační jednotkou (53 %), která pokrývá celou potřebu tepla pro vytápění, přípravu TV a zároveň dodává teplo do absorpční chladicí jednotky pracující s koeficientem EER 0,7. Vše navíc zhoršuje podmínka zákazu prodeje elektrické energie do distribuční sítě.

Druhý tým s názvem „Loudové“ pracoval ve složení Anna Honzková, Aleš Veverka, Markéta Bochezová, Michaela Hronová. Jejich počáteční ideou bylo nalézt rozumnou kombinaci zdrojů využívajících obnovitelné i neobnovitelné zdroje energie. Základním zdrojem tepla a chladu v energetické koncepci druhého týmu bylo uvažováno tepelné čerpadlo země-voda s celoročním provozem doplněné o přibližně 50 vrtů pod budovou. Tým uvažoval plné pokrytí potřeby tepla na vytápění tepelným čerpadlem. V letním provozu se využije reverzibilní funkce uvažovaného TČ a teplo z kondenzátoru bude vy­užité pro regeneraci zemního masivu pod budovou. Vzhledem k vysoké potřebě chladu byla uvažována ještě kompresorová chladicí jednotka se vzduchem chlazeným kondenzátorem. Součásti systému je i akumulační nádrž objemu 10 m³, která bude nabíjena především tepelným čerpadlem a doplňkově soustavou 60 kapalinových solárních kolektorů. V případě nedostatků tepelné energie tým zvažoval pomocnou předávací stanici z místního systému centralizovaného zásobování teplem.

Prostředí kanceláří i obchodů je chlazené a vytápěné nízkoteplotními vytápěcími a vysokoteplotními chladicími soustavami, které jsou integrované v podhledové konstrukci. Větrání hlavních pobytových zón je nucené centrální vzduchotechnickou jednotkou.

Celé řešení energetické koncepce zajistilo roční měrnou spotřebu energie 116,2 kWh/m²·rok a zatřídění budovy do třídy B. Odhadnuté investiční náklady na energetický systém dosáhly výše 25,1 mil. Kč.

Třetí tým s tajemně znějícím názvem „Kamaluha“ pracoval ve složení Kateřina Vodičková, Marie Dlabiková, Lucie Do­biášová a Hana Mandíková. Tým prošel mnoha variantami návrhů energetického systému s cílem co největšího zastoupení obnovitelných zdrojů, ovšem s podmínkou jejich celoročního využití. Podobně jako u druhého týmu byla hlavním zdrojem tepla navržena kaskáda tří tepelných čerpadel země-voda celkového tepelného výkonu 157 kW, tří tepelných čerpadel vzduch-voda celkového tepelného výkonu 540 kW a malého elektrokotle o výkonu 50 kW. Zdrojem nízkopotenciálního tepla je 30 stometrových vrtů. Tepelná čerpadla jsou uvažována s reverzibilním provozem, a tudíž bude kaskáda sloužit i jako zdroj chladu.

Společná otopná a chladicí soustava rozdělená na severní a jižní zónu využívá kapilárních rohoží a fancoilů napojených na vzduchotechnické systémy. Celkem 4 VZT systémy zajistí nucené větrání celé budovy, dva slouží pro garáže a dva pro pobytová prostředí. Přirozené větrání je uvažováno pro možnost nočního předchlazení objektu venkovním vzduchem proudícím přes trakty kanceláří a středním atriem mimo budovu.

Příprava teplé vody bude lokální v elektrických průtokových ohřívačích umístěných v jednotlivých hygienických zázemích. Energetický koncept byl doplněn fotovoltaickým systémem umístěným na nejvyšší střeše budovy obsahující 512 m² panelů.

Celé řešení energetické koncepce zajistilo roční měrnou spotřebu energie 114,5 kWh/m²·rok a zatřídění budovy do třídy B. Odhadnuté investiční náklady na energetický systém dosáhly výše 18 mil. Kč, přičemž největší položkou byl odhad ceny 7 tis. m² kapilárních ­rohoží.

V pořadí prezentací čtvrtý tým si dal název „Tým č. 2“ a jeho členy byli Jana Lozoviuková, Jana Pražáková a Miroslav Daněk. Základem energetické koncepce byla reverzibilní tepelná čerpadla doplněná o akumulaci tepla a chladu. Kaskáda 4 tepelných čerpadel země-voda opět slouží v celoročním provozu pro vytápění, přípravu TV i chlazení budovy. Tým usoudil, že pro jímání tepla ze zemního masivu je vhodnější využít energetických pilot než hloubkových vrtů. Předpokládali nižší investiční náklady vzniklé účelovým spojením se základovou konstrukcí budovy. Celkem jich tým navrhl 88 s hloubkou 7 m.

Přenos tepla a chladu do jednotlivých zón zajišťuje vodní soustava využívající aktivace železobetonové stropní konstrukce, kterou doplňuje vzduchotechnický klimatizační systém.

Příprava teplé vody předpokládá malé lokální zásobníky umístěné v jednotlivých podlažích s cílem minimální cirkulace teplé vody. Zásobníkům bude dodáváno teplo teplovodní soustavou. V letním období bude část odpadního tepla z kondenzátorů využita pro přípravu teplé vody. Jedno z tepelných čerpadel bude pro zajištění požadované teploty teplé vody pracovat s vyšší výstupní teplotou otopné vody i přes snížený topný faktor.

Větrání je nucené s využitím co nejúčinnějšího systému zpětného získávání tepla, dosahujícího účinnosti alespoň 70 %. Vzduchotechnický systém zahrnuje 4 jednotky s celkovým množstvím přiváděného vzduchu 53 000 m³/h. Obdobně je využito nočního provětrávání přes atrium.

V neposlední řadě je součástí řešení fotovoltaický systém zahrnující 54 panelů (216 m²) na jižní fasádě budovy a 182 panelů (255 m²) na technologické části střechy.

Navržená energetická koncepce do­sáhla roční měrnou spotřebu energie 117,9 kWh/m²·rok a zatřídění budovy do třídy B. Odhadnuté investiční náklady na energetický systém dosáhly výše 18,5 mil. Kč, přičemž největší položkou byla čtveřice tepelných čerpadel.

V pořadí poslední prezentující tým si na poslední chvíli zvolil název „To nejlepší nakonec“ a jeho členy byli Eva Velíšková, Barbora Hihlánová a Pavel Tangelmayer. Jejich návrh energetické koncepce využil jako zdroje chladu kompresorové chladicí jednotky a zdroje tepla tepelného čerpadla země-voda, kterému bylo nízkopotenciální teplo dodáváno ze zemních vrtů. Tým navrhl mezi oba zdroje striktní rozdělení funkcí i doby provozu. Tepelné čerpadlo o výkonu 260 kW bude provozované pouze v zimním období a dodává teplo do teplovodní otopné soustavy kombinující velkoplošné nízkoteplotní stropní vytápění a doplňkové fancoily připojené na centrální vzduchotechnický systém. Tým využil velké plochy stropů, na které umístil až 9 000 m² prvků nízkoteplotního vytápění. V budově je uvažována čtyřtrubková soustava se společnými koncovými prvky, které jsou využité i pro chlazenou vodu připravenou kompresorovou chladicí jednotkou. Chladicí jednotka má vodou chlazený kondenzátor a část odpadního tepla je využívána pro přípravu TV v restauraci v 1. NP.

Podílově nižší část tepelné ztráty a zátěže pokrývá centrální vzduchotechnický klimatizační systém. Jednotka je umístěná v technické místnosti v podzemním podlaží a její jmenovitý průtok vzduchu je uvažován 53 000 m³/h. Podzemní garáže jsou větrané nuceně samostatnou jednotkou.

Členové tohoto týmu na rozdíl od ostatních úmyslně zavrhli noční předchlazení, neboť došli k závěru, že množství akumulační hmoty objektu pro daný účel je malé.

Příprava teplé vody je lokální pomocí elektrických průtokových ohřívačů. Pouze pro potřeby restaurace v 1. NP je navržený 700 l zásobník, kterému je dodáváno odpadní teplo z chladicí jednotky, dohřev zásobníku je elektrický.

Tento tým navrhl energetickou koncepci s nejnižší roční měrnou spotřebou energie 98,7 kWh/m²·rok a zatřídění budovy do třídy B. Rovněž odhadnuté investiční náklady na energetický systém byly nejnižší a dosáhly výše 11,5 mil. Kč.

Z výsledků výpočtů dodané energie nakonec vidíme, že žádná z navržených koncepcí nečiní z budovy dům s nulovou spotřebou energie. Výsledná posouzení navržených řešení se u tří týmů pohybují kolem 115 kWh/m²·rok dodané energie. Nejnižší dosažená hodnota byla 98,7 kWh/m²·rok, ovšem ani zde jsme se nepřiblížili nulovému domu. Je zřejmé, že dosažení úrovně téměř nulového domu je pro zadaný objekt nemyslitelné, aniž se použije extrémní kombinace systémů s obnovitelnými zdroji. Studenti se shodli, že největší podíl na dodané energii činí elektrická energie pro osvětlení a elektrické spotřebiče, kterých je v administrativní budově velmi mnoho. S nimi souvisí i další významný spotřebitel energie, chlazení.

V tabulce 1 je uveden souhrn dodané energie a jejího přepočtu na primární energii. Jak je patrné, varianta skupiny č. 1, která je z pohledu dodané energie velmi nevýhodná, vychází výrazně lépe při přepočtu na potřebu primární energie. Přepočetní koeficient pro zemní plyn dodávaný do kogenerační jednotky je násobně nižší než pro výrobu elektrické energie, a to výrazně zhoršuje výsledky řešení s tepelným čerpadlem.

Závěr

Je dost obtížné všechna řešení shrnout. Studenti ve svých pracech prezentovali různé pohledy a každá koncepce je v nějakém ohledu unikátní. Týmy studentů nebyly ve svém řešení omezovány přísnými investory obracejícími v ruce každou investovanou korunu. Jejich cílem bylo navrhnout technicky funkční koncepci energetických systémů administrativní budovy, která v první řadě splní požadavky na kvalitu vnitřního prostředí a bude co nejúspornější z pohledu dodané energie. Největším tlakem působícím na týmy byl čas, pouhých 18 hodin během čtvrtka 8. září. Porota ve složení učitelů a zástupců sponzorů svým hodnocením nakonec vybrala jako nejlepší řešení týmu číslo 1 ve složení studentů Mojmíra Stuchlíka, Jany Petlachové, Jany Ševčíkové a Lucie Szabóové.

Na závěr chceme za organizační tým poděkovat všem zúčastněným lektorům a především sponzorům, kteří letos 9. ročník Letní školy TZB podpořili – jmenovitě děkujeme zástupcům firem VCES, Atrea, Giacominni, Geminox, Regulus, Daikin, Elektrodesign ventilátory, Schiedel, Korado, Danfoss, Baxi, Jaga, Petlach TZB, Niersberger a Audry CZ a redakci časopisu Topin.