Administratívna budova s nulovou energetickou spotrebou a nulovými emisiami oxidov uhlíka

Nová budova centrály spoločnosti Integrated Design Associates (IDeAs) v americkom San Jose (Kalifornia) je prvou administratívnou budovou v USA navrhnutou tak, aby splnila cieľ nulovej spotreby energie a nulových emisií oxidov uhlíka (ďalej len cieľ nula²). Spoločnosť Johnson Controls tu navrhla a inštalovala unikátny systém vetrania, vykurovania a klimatizácie a riadiaci systém (HVAC) na báze tepelného čerpadla, ktorý je kľúčovým prvkom zníženia energetickej spotreby budovy. V budove sa navrhli aj fotovoltické solárne panely, ktoré poskytujú viac než dostatok energie na prevádzku budovy.

Potom, ako spoločnosť IDeAs odkúpila bývalú pobočku banky s plochou 648 štvorcových metrov, ktorá mala slúžiť ako jej nová centrála, začala uvažovať o koncepcii budovy s nulovou spotrebou energie. Cieľom projektu bolo prostredníctvom kompletného súboru trvalo udržateľných techník a technológií dizajnu transformovať betónovú banku zo 60. rokov 20. storočia na vysoko efektívnu a pohodlnú budovu. Výsledkom je kancelárska budova, ktorá využíva obnoviteľnú energiu zo slnečných kolektorov na pokrytie 100 % jej energetických potrieb, nespaľuje žiadne fosílne palivá a neprodukuje žiadne emisie skleníkových plynov.

Tepelné čerpadlo vykuruje a chladí podlahu
Systém obsahuje geotermálne tepelné čerpadlo, ktoré využíva skutočnosť, že teplota pod zemou ostáva približne konštantná po celý rok – v tomto prípade je to približne 10 °C. Voda preteká cez potrubia uložené pod otvorenou krajinou a prechádza do budovy, v ktorej výmenník tepla zhromažďuje teplo z vody v zime a využíva chladiaci efekt v lete. Sálavý podlahový systém s prekríženým potrubím s protiprúdom využíva vodu na dopravu tepla a chladu do príslušných priestorov. Systém využíva menej energie na zabezpečenie rovnakej úrovne komfortu ako tradičné systémy z dôvodu teplotných rozdielov medzi užívateľom a samotnou podlahou. Sálavé systémy typicky využívajú vyššiu teplotu vody na efektívne chladenie a nižšiu teplotu vody na efektívne vykurovanie, čo znamená, že zariadenie pracuje s vyššou úrovňou efektívnosti.

Základom vykurovacieho a chladiaceho systému je elektrické tepelné čerpadlo pracujúce s médiom voda, ktorým sa vyrába nielen chladiaca, ale aj vykurovacia voda tak, aby sa dosiahla filozofia nulovej spotreby energie a nulových emisií oxidov uhlíka v budove. Pri tepelnom čerpadle je koeficient energetickej efektívnosti chladenia (EER) vyšší ako 19.

Záhradne upravený priestor za budovou sa využíva ako „zásobáreň tepla” na uchovávanie alebo čerpanie tepelnej energie. V podzemí tohto priestoru sa zakopala v hĺbke 4 a 6 stôp (asi 1,22 a 1,83 m) batéria polyetylénových (PEX) rúrok, v ktorých cirkuluje vodná chladiaca zmes. Rúrky sú na jednej strane pripojené k tepelnému čerpadlu. Druhá strana tepelného čerpadla je pripojená na druhú batériu rúrok, ktoré sú ukryté v betónovom páse vnútri budovy. Čerpadlo používa kompresor (veľmi podobný tomu v bežnej chladničke), aby sa odoberalo teplo z vnútornej batérie rúrok a odovzdávalo sa vonkajšej batérii rúrok, alebo aby sa odoberalo teplo z vonkajšej batérie rúrok a odovzdávalo sa vnútornej batérii rúrok.

Tento systém je účinnejší než tradičný systém z dôvodu stabilnej teploty a tepelnej kapacity, akú poskytuje základová pôda – v protiklade k závislosti od premenlivej teploty vonkajšieho vzduchu, čo je médium, ktoré využívajú tradičné chladiace a klimatizačné systémy. Tepelná akumulačná kapacita pôdy taktiež umožňuje vyššiu efektívnosť medzi vykurovacím a chladiacim režimom prevádzky, ktoré sa striedajú v období od rána do popoludnia. Ešte vyššia účinnosť sa získa návrhom vnútorných rozvodov s nízkymi tlakovými stratami v spojení s guľovými ovládacími ventilmi (open ported ball type control valves).

Návrh a riadiaci systém budovy od Johnson Controls presne riadi prietokové množstvá chladiaceho/vykurovacieho média v podlahe, aby sa dosiahla maximálna účinnosť pri čo najmenšom výkone čerpadla a najefektívnejších teplotách vody. Rýchlosť čerpadla sa udržiava na úrovni najnižšej spotreby prostredníctvom technológie výkonového systému, ktorý reaguje na skutočný odber. Systém zabraňuje podlahovej kondenzácii porovnávaním podlahovej teploty s teplotou rosného bodu vzduchu v miestnosti. V prípade potreby sa zabezpečuje odvlhčovanie prostredníctvom vzduchového manipulátora využívajúceho chladenú vodu a súčasne vodu z kondenzátora na riadenie teploty prostredníctvom dvoch dvojitých špirál vo vzduchovom manipulátore.

Vonkajší vzduchový manipulátor s vysokovýkonnou filtráciou a konštantným riadením teploty zabezpečuje vysokovýkonnú ventiláciu budovy. Otvárateľné okná a dvere inštalované v rámci celej budovy umožňujú jej užívateľom prispôsobenie úrovní komfortu vyladením miery otvorenia. Ak sú teploty vonkajšieho vzduchu príliš nízke alebo vysoké a okná alebo dvere sa nevyužívajú, vonkajší vzduchový manipulátor zabezpečuje potrebnú ventiláciu budovy. Chladená alebo horúca voda dodávaná tepelným čerpadlom do vzduchového manipulátora klimatizuje vzduch dopravovaný do príslušných priestorov.

Spoločnosť Johnson Controls navrhla systém HVAC s cieľom maximalizácie výkonov, energetickej efektívnosti a kvality ovzdušia v budove, zatiaľ čo náklady na výstavbu boli porovnateľné s tradičnejšími návrhmi. Pritom „všetky technológie, ktoré sa použili, sú ľahko k dispozícii”, hovorí David Kaneda, riaditeľ Integrated Design Associates. „Niektoré sú drahšie z pohľadu prvotných nákladov, avšak zníženie spotreby energie prináša dlhodobé úspory. A to je správny prístup z pohľadu znižovania nášho vplyvu na životné prostredie.”

Ostatné úsporné charakteristiky budovy typu nula²
Zdrojom energie podniku je systém solárnych panelov integrovaný v rámci budovy. Panely tohto systému sú časťou jednovrstvovej membránovej strechy inštalovanej na budove. Elektrický systém je začlenený do rozvodného systému, takže čerpá energiu v noci, keď nesvieti slnko, a dodáva energiu späť do rozvodnej siete, keď sa generuje viac energie, než sa cez deň spotrebuje. Výsledkom tohto návrhu je „nulová čistá“ celková spotreba energie.

Aby sa znížila spotreba energie na osvetlenie, projektový tím pridal okná a svetlíky do strechy budovy s cieľom plne využiť disponibilné denné svetlo. Vysokoefektívne okná síce prepúšťajú viditeľné svetlo, bránia však vstupu infračerveného a ultrafialového svetla, čo napomáha udržiavaniu chladu v budove. Slnečná clona – markíza – tieni okná južnej fasády, okná východnej fasády majú elektrochrómové zasklenie, ktoré sa ovláda snímačom stmavujúcim zasklenie v prípade priameho dopadu slnečných lúčov. Nízkoenergetické žiarivky použité v budove sa ovládajú snímačom prítomnosti ľudí, alebo sa používajú stmievacie predradníky na zníženie spotreby energie. Snímače osvetlenosti vypínajú v prípade dostatku denného svetla určené obvody.

Úspora energie sa týka aj počítačov a kancelárskeho vybavenia. LCD panely nahrádzajú tradičné monitory, ktoré potrebujú o 50 % viac energie, a laptopy nahrádzajú klasické stolové počítače všade, kde sa to len dá. Projektový tím vzájomne integroval kancelárske vybavenie a zabezpečovací systém budovy – automaticky sa zariadenie vypína, keď je zapnutý zabezpečovací systém, napájanie sa obnovuje po vypnutí zabezpečovacieho systému.

Steve Thomas
Autor pôsobí ako manažér pre Global Energy & Sustainability Communications v spoločnosti Johnson Controls, Inc., vo Wisconsine v USA.

Foto: archív Johnson Controls, Inc., www.z2building.com

Na preklade sa podieľal Ing. Ladislav Piršel, PhD., generálny riaditeľ Systems & Services Slovensko a konateľ spoločnosti Johnson Controls International, spol. s r. o.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.