Optimalizรกcia vyuลพitia solรกrnej energie pomocou BIM
Staviteฤพstvo exponenciรกlne smeruje k vyuลพรญvaniu obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie pri vลกetkรฝch typoch stavieb, priฤom solรกrna energia je jednou z alternatรญv, ktorรบ moลพno uplatniลฅ v dobrom pomere nรกrokov na priestor, cenu aj vรฝslednรฝ รบลพitok. Informaฤnรฉ modelovanie stavieb predstavuje modernรฝ a efektรญvny spรดsob rieลกenia stavieb s ohฤพadom na vลกetky aspekty ลพivotnรฉho cyklu. Zรกkladom je dรดslednรฉ plรกnovanie a tvorba simulรกciรญ a analรฝz v predinvestiฤnej fรกze projektu, keฤ moลพno jasne stanoviลฅ najefektรญvnejลกรญ vรฝsledok a ovplyvniลฅ ลพivotnosลฅ stavby, nรกklady na jej prevรกdzku aj vรฝslednรบ vyuลพiteฤพnosลฅ.
Formou simulรกciรญ, analรฝz aย osadenรญm modelu budovy do jej budรบceho prostredia, kde hrajรบ รบlohu klimatickรฉ podmienky, okolitรก zรกstavba alebo รบzemnรฉ plรกnovanie, mรดลพeme predpovedaลฅ vyuลพiteฤพnosลฅ solรกrnej energie danej budovy aย stanoviลฅ ideรกlny model. Solรกrne systรฉmy ovplyvลujรบ aj vnรบtornรฉ usporiadanie budovy, technolรณgie aย ฤalลกie prvky, ktorรฉ nadvรคzujรบ na vyuลพitie solรกrnej energie. Je teda dรดleลพitรฉ kvalitne plรกnovaลฅ aย venovaลฅ sa tvorbe analรฝz uลพ vย predinvestiฤnej fรกze projektu sย ohฤพadom na vลกetky budรบce aspekty aย cieฤพ, aby vรฝslednรก budova bola nรญzkonรกkladovรก aย ลกetrnรก kย ลพivotnรฉmu prostrediu.
Pri solรกrnych termickรฝch systรฉmoch ide oย vyuลพรญvanie obnoviteฤพnรฉho zdroja energie. Obnoviteฤพnรฉ zdroje pritom predstavujรบ veฤพmi diskutovanรบ tรฉmu najmรค vย sรบvislosti sย implementรกciou zรกvรคzkov danรฝch vย smernici 2009/28/ES, aย to predovลกetkรฝm zย hฤพadiska plnenia zรกvรคznรฉho cieฤพa vyrรกbaลฅ od roku 2020 20 % spotreby energie prรกve obnoviteฤพnรฝmi zdrojmi.
Informaฤnรฉ modelovanie stavieb (BIM) rastie exponenciรกlne vย sรบvislosti sย globรกlnou digitalizรกciou vลกetkรฝch odborov, ale najmรค sย nastupujรบcim fenomรฉnom Priemysel 4.0, resp. Stavebnรญctvo 4.0. Ide oย proces zahลลajรบci celรฝ ลพivotnรฝ cyklus stavieb, ktorรฝ prepรกja jednotlivรฝch รบฤastnรญkov vรฝstavby pri vzรกjomnej spoluprรกci na jednom informaฤnom modeli. Komplexnรฝ 3D model obohatenรฝ oย informรกcie na รบrovni jednotlivรฝch prvkov je zรกkladnรฝm prvkom metรณdy BIM. Do procesu ideรกlneho nรกvrhu stavby touto metรณdou patrรญ aj mnoho simulรกciรญ aย analรฝz vyuลพรญvajรบcich model stavby, okolitรบ zรกstavbu aย prostredie, do ktorรฉho stavbu umiestลujeme [1].
ฤlรกnok sa zaoberรก konkrรฉtnou budovou materskej ลกkoly na reรกlnej parcele, ktorรก sa nachรกdza vย Ostrave vย ฤasti Mariรกnskรฉ Hory. Budova je navrhnutรก vย kompaktnom obdฤบลพnikovom tvare zย dรดvodu nรญzkeho poฤtu tepelnรฝch vรคzieb, aย tรฝm aj niลพลกej energetickej nรกroฤnosti. Zastreลกenie je rieลกenรฉ plochou strechou, ktorรก je najvhodnejลกรญm variantom na umiestnenie solรกrnych panelov, priฤom aj vฤaka nej budova lepลกie zapadne do jestvujรบcej okolitej zรกstavby aย mรดลพe splniลฅ prรญpadnรฉ podmienky regulaฤnรฉho plรกnu.
Solรกrny systรฉm
Vย rieลกenej budove je navrhnutรฝ aktรญvny termosolรกrny systรฉm. Vyznaฤuje sa premenou slneฤnรฉho ลพiarenia na teplo, ktorรฉ moลพno ฤalej vyuลพรญvaลฅ. Odvod tepla sa rieลกi potrubnรฝm systรฉmom, vย ktorom koluje teplonosnรก kvapalina. Vลกeobecnรฉ poลพiadavky na tieto rozvody sledujรบ snahu realizovaลฅ systรฉm ako ฤo najkratลกรญ aย dobre izolovanรฝ proti tepelnรฝm stratรกm. Neoddeliteฤพnou sรบฤasลฅou aktรญvneho systรฉmu je aj akumulaฤnรฝ zรกsobnรญk, ktorรฉho objem je nevyhnutnรฉ prispรดsobiลฅ poฤtu osรดb vย budove aย predpokladanรฉmu odberu vody. Ohrev vody prebieha vลพdy nepriamo, teda cez vรฝmennรญk vย zรกsobnรญku.
Solรกrne kolektory moลพno vyuลพiลฅ na prรญpravu teplej vody alebo na vykurovanie. Vรฝber ideรกlneho typu solรกrneho kolektora sa odvรญja od typu zapojenia. Solรกrne termickรฉ kolektory sa delia na plochรฉ, rรบrkovรฉ aย koncentraฤnรฉ. Pri budovรกch obฤianskej vybavenosti volรญme plochรฉ alebo rรบrkovรฉ kolektory.
Konลกtrukciu plochรฝch solรกrnych kolektorov tvorรญ nosnรฝ rรกm, izolรกcia, transparentnรก vrstva, absorbรฉr aย systรฉm odvodu tepla zย kolektora. Plochรฝ kolektor dosahuje menลกie รบฤinnosti aย je vhodnejลกรญ na zapojenie do systรฉmu na prรญpravu teplej vody. Rรบrkovรฝ vรกkuovรฝ kolektor mรก uลพ komplexnejลกiu konลกtrukciu, ktorรก sa skladรก zย urฤitรฉho poฤtu rรบrok. Vo vรคฤลกรญch rรบrkach sรบ umiestnenรฉ menลกie rรบrky sย teplonosnou kvapalinou. Priestor medzi vonkajลกou aย vnรบtornou rรบrkou je vyplnenรฝ vรกkuom. Vรกkuovรฉ kolektory sรบ ลพiaduce najmรค pri zapojenรญ do systรฉmu vykurovania, keฤลพe sรบ schopnรฉ vyrรกbaลฅ teplo aj vย horลกรญch klimatickรฝch podmienkach, teda vย zime.
Vyuลพitie BIM pri nรกvrhu solรกrnych panelov
Informaฤnรฉ modelovanie stavieb (BIM) by malo byลฅ komplexnรฝm nรกvrhom stavby vrรกtane technickรฉho zariadenia budovy vytvorenรฝm pomocou 3D realistickรฉho modelu obohatenรฉho oย informรกcie. Solรกrne systรฉmy majรบ veฤพmi ลกpecifickรฉ parametre, priฤom ich nรกvrhu by malo predchรกdzaลฅ kvalitnรฉ posรบdenie budovy aย poznanie klimatickรฝch podmienok [3]. Vลกeobecnรฉ nรกvrhy vลกak nerieลกia umiestnenie stavby na konkrรฉtne miesto vย zรกstavbe aย nepoฤรญtajรบ so simulรกciami budรบceho stavu. Ak je umiestลovanรก stavba obklopenรก vรฝลกkovรฝmi budovami ฤi inรฝmi prvkami, bude nรกvrh solรกrneho systรฉmu ovplyvnenรฝ zatienenรญm. Takรฝ nรกvrh potom nie je efektรญvny aย mรก za nรกsledok zmeny nรกvrhu systรฉmu. Kvalitnou simulรกciou budรบcich javov aย komplexnรฉho stavu objektu vลกak mรดลพeme tรฝmto problรฉmom predchรกdzaลฅ.
Informรกcie vย modeli
Zรกkladom metรณdy BIM je informovanosลฅ. Dรกta obsiahnutรฉ vย modeli reflektujรบ budรบci stav budovy aย uลพรญvatelia, ktorรญ sย modelom pracujรบ vย rรดznych fรกzach ลพivotnรฉho cyklu stavby, tak zย tรฝchto informรกciรญ mรดลพu efektรญvne ฤerpaลฅ. Komplexnรฉ informรกcie aย prehฤพad celรฉho systรฉmu moลพno zย modelu vygenerovaลฅ do vรฝpisu prvkov vrรกtane cien, materiรกlov aย inรฝch ลกpecifikรกciรญ, ktorรฉ si mรดลพeme sami nadefinovaลฅ. Na zรกklade tรฝchto informรกciรญ poznรกme skutoฤnรฉ nรกklady na zriadenie solรกrneho systรฉmu, aย ak BIM model prepojรญme sย CAFM systรฉmom, mรดลพeme ho vyuลพiลฅ aj sย priloลพenรฝmi dokumentรกciami aย informรกciami oย revรญziรกch, kontrolรกch aย prรญpadnรฝch opravรกch. Model vย sebe nesie informรกcie oย zhotoviteฤพovi systรฉmu, zรกruke alebo ลพivotnosti jednotlivรฝch prvkov [3].
Na tieto a ฤalลกie otรกzky odpovie pripravovanรฝ 5. roฤnรญk Nรกrodnej BIM Konferencie, ktorรบ organizuje BIMaS v spoluprรกci s vydavateฤพstvom JAGA. Predstavia sa kฤพรบฤovรญ speakri zo domova i zahraniฤia, ktorรญ sa formou prezentรกcie podelia o svoje skรบsenosti.
Konferencia je urฤenรก nielen architektom a projektantom ale aj developerom, investorom a sprรกvcom budov.
PROGRAM KONFERENCIE
Plรกnovanie aย vyuลพitie modelu
ฤalลกรญm prรญnosom je komplexnรฝ nรกvrh skutoฤnรฉho stavu systรฉmu. Vo fรกze plรกnovania, pred realizรกciou stavby, tak poznรกme kompletnรฝ zoznam prvkov (armatรบr) na potrubรญ, dฤบลพky aย inรฉ ลกpecifikรกcie navrhovanรฉho potrubia. Vytvorenรญm komplexnรฉho modelu stavby zistรญme vลกetky problรฉmovรฉ miesta, staticky nosnรฉ konลกtrukcie alebo vedenie ฤalลกรญch inลกtalรกciรญ vย objekte, ฤรญm mรดลพeme danรฝ nรกvrh upraviลฅ do podoby ideรกlneho nรกvrhu [3].
Reรกlny 3D model stavby vyuลพijeme pri kontrole kolรญziรญ sย ฤalลกรญmi konลกtrukciami aย inลกtalรกciami vย objekte alebo na ideรกlny (efektรญvny aย รบspornรฝ) nรกvrh systรฉmu. Vย modeli ihneฤ vidรญme prรญpadnรฉ problรฉmy sย nรกvrhom aย mรดลพeme upraviลฅ naprรญklad dispozรญciu objektu alebo umiestnenie systรฉmu aย jednotlivรฝch armatรบr. Tieto predikcie problรฉmov aย ich vฤasnรฉ rieลกenie vo fรกze plรกnovania uลกetria mnoho nรกkladov pri realizรกcii aย prevรกdzke stavby. Zmeny pri realizรกcii stavby sa zanesรบ do modelu, takลพe sรบbeลพne vznikรก dokumentรกcia skutoฤnรฉho vyhotovenia stavby, ktorรก po dokonฤenรญ zodpovedรก skutoฤnรฉmu stavu. Model by mal slรบลพiลฅ poฤas celรฉho ลพivota stavby [1].
Simulรกcia oslnenia aย vplyv okolitej zรกstavby
ล tรบdia oslnenia (zatienenia) vย klasickom prรญpade hodnotรญ, vย ktorom dennom ฤase je byt ฤi vonkajลกรญ priestor oslnenรฝ. Vย naลกom prรญpade umoลพลuje ลกtรบdia oslnenia posรบdiลฅ aj vplyv susednรฝch stavieb na oslnenie solรกrnych kolektorov aย urฤiลฅ tak ich najvhodnejลกiu polohu na streche budovy. Na ลกtรบdiu oslnenia sa vyuลพil softvรฉr ArchiCAD. Na zรกklade priebehu tieลov od okolitรฝch budov sa prehodnotil pรดvodnรฝ nรกvrh umiestnenia solรกrnych kolektorov priamo nad technickou miestnosลฅou na vzdialenejลกie, no menej zatienenรฉ miesto na severozรกpadnej strane strechy.
Zย obr. 1 je zrejmรฉ kompletnรฉ zatienenie kolektorov, ktorรฉ zniลพuje efektivitu sรบstavy. Takรฝto nevhodnรฝ nรกvrh, ktorรฝ by mohol vzniknรบลฅ, ak by sa neposudzoval komplexne reรกlny model stavby osadenรฝ do budรบceho prostredia zรกstavby, mรดลพe viesลฅ kย neekonomickรฉmu aย neefektรญvnemu vรฝsledku. Pridanรก hodnota informaฤnรฉho modelu stavby aย moลพnosลฅ tvoriลฅ reรกlne simulรกcie konkrรฉtnych situรกciรญ tak vย takomto prรญpade vรฝrazne ovplyvลujรบ vรฝslednรฝ nรกvrh.
Obr. 1 Ukรกลพka vplyvu vhodnรฉho umiestnenia kolektorov na streche
vฤพavo pรดvodnรฝ nรกvrh sย kompletnรฝm zatienenรญm kolektorov, vpravo prehodnotenรฝ nรกvrh
Prepoฤet nรกvratnosti systรฉmu
Pri oboch typoch zvaลพovanรฝch solรกrnych kolektorov (plochรฝ aj rรบrkovรฝ kolektor) sa vykonal podrobnรฝ vรฝpoฤet vplyvu zvolenรฉho sklonu aย azimutu na nรกvratnosลฅ systรฉmu. Vรฝpoฤet sa realizoval za predpokladu vyuลพitia solรกrnych kolektorov na prรญpravu teplej vody pomocou zjednoduลกenej bilanฤnej metรณdy. Zย vytvorenรฝch grafov vyplynulo, ลพe moลพno roฤne uลกetriลฅ aลพ 14-tisรญc Kฤ (okolo 550 โฌ) len sprรกvnou orientรกciou aย nรกklonom kolektorov (obr. 2).
Pri obstaranรญ solรกrneho systรฉmu sย plochรฝmi kolektormi je pri ideรกlnych podmienkach (sklon 45o aย azimut 0o od juhu) nรกvratnosลฅย 5 rokov. Pri zhorลกenรฝch podmienkach narastie nรกvratnosลฅ na 8,5 roka. Zapojenie vรกkuovรฝch kolektorov znamenรก vรคฤลกiu investรญciu, aย tรฝm aj dlhลกiu nรกvratnosลฅ โ konkrรฉtne 7,5 roka pri ideรกlnej orientรกcii aย aลพ 12 rokov vย zhorลกenรฝch podmienkach. Oba vรฝpoฤty nรกvratnosti vลกak boli zaloลพenรฉ na predpoklade, ลพe kolektory majรบ maximรกlny moลพnรฝ prรญsun slneฤnรฉho ลพiarenia. Vย prรญpade, keฤ okolitรฉ budovy zatieลujรบ kolektory vย priemere 2 h denne, sa vรฝลฅaลพok zย kolektorov zniลพuje. Pri plochom kolektore je zisk menลกรญ cca oย 16 %, vรกkuovรฝ kolektor mรก dokonca stratu aลพ 23 %.
Obr. 2 Vplyv sklonu aย azimutu na roฤnรบ รบsporu
Ideรกlny nรกvrh rieลกenia
Ako teda postupovaลฅ pri nรกvrhu ideรกlneho rieลกenia? Dรดleลพitรฉ je vybraลฅ vyhovujรบce umiestnenie pre solรกrne kolektory. Treba si uvedomiลฅ, ฤi mรกme vย รบmysle vyuลพรญvaลฅ solรกrny systรฉm na prรญpravu TV alebo na vykurovanie. Na zรกklade tรฝchto informรกciรญ treba potom zvoliลฅ vhodnรฝ sklon kolektorov. ฤalลกรญm faktorom ovplyvลujรบcim nรกvrh systรฉmu je blรญzkosลฅ okolitej zรกstavby aย jej moลพnosลฅ tienenia kolektorov. Vyuลพitรญm 3D modelu vloลพenรฉho na konkrรฉtne miesto vย zรกstavbe aย vytvorenรญm simulรกcie oslnenia sa vymenil pรดvodnรฝ nรกvrh sรบstavy.
Vรฝslednรฉ straty vย dlhลกom potrubรญ nemajรบ pri vhodnej izolรกcii zฤaleka takรฝ zรกsadnรฝ vplyv na znรญลพenie ziskov zo solรกrneho systรฉmu, ako mรก tienenie zรกstavbou. Ak vychรกdzame zย reรกlneho modelu stavby rieลกenรฉho ako BIM model, nรกjdeme viac uplatnenรญ. Pouลพitรญm ideรกlnych materiรกlov, vรฝrobcov alebo inรฝch ลกpecifickรฝch parametrov aย zanesenรญm tรฝchto informรกciรญ uลพ do nรกvrhu vo fรกze projektu mรดลพeme ovplyvniลฅ aj nรกklady na stavbu [2].
Zรกver
Vyuลพitie slneฤnรฉho ลพiarenia predstavuje veฤพmi ฤastรบ alternatรญvu vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov, ktorรฉ sรบ verejnosti relatรญvne ฤพahko finanฤne prรญstupnรฉ aย zรกroveล si vyลพadujรบ pomerne jednoduchรฉ technickรฉ rieลกenie. Nรกvrh takejto sรบstavy zรกvisรญ prakticky od optimรกlneho nastavenia vzhฤพadom na pohyb slnka po oblohe. Vลกeobecnรฉ pravidlรก sklonu solรกrnych panelov, priame nastavenie na juh aย snaha oย ฤo najkratลกรญ potrubnรฝ systรฉm vลกak nemusia viesลฅ vo finรกle kย tomu najefektรญvnejลกiemu rieลกeniu, ak budรบ kolektory ฤasลฅ dลa zatienenรฉ.
Sprรกvna analรฝza situรกcie aย vyhodnotenie rรดznych alternatรญv nรกvrhov vo fรกze plรกnovania umoลพnia zvoliลฅ ideรกlne aย efektรญvne rieลกenie nielen po technicko-ekonomickej strรกnke, ale aj nรกkladovej โ vzhฤพadom na maximรกlny vรฝkon sรบstavy. Informaฤnรฉ modelovanie stavieb (BIM) ukazuje moลพnosลฅ, ako tieto simulรกcie vytvรกraลฅ na reรกlnom modeli aย ako vyhodnocovaลฅ aย analyzovaลฅ rozliฤnรฉ situรกcie. Umoลพลuje plรกnovaลฅ aย modelovaลฅ skutoฤnรฝ budรบci stav objektu aย inลกtalรกcie sย informรกciami oย vรฝmerรกch, cene aย inรฝch ลกpecifikรกciรกch aย stanoviลฅ tak ideรกlny koncept vย budรบcej lokalite objektu sย prihliadnutรญm na vลกetky faktory โ sรบฤasnรฉ aj budรบce.
Ing. Blanka Chudรญkovรก, Ing. Michal Faltejsek
Autori pรดsobia na Stavebnej fakulte Vล B โ TUO vย Ostrave-Porube.
Recenzovala: doc. Ing. Otรญlia Lulkoviฤovรก, PhD.
Obrรกzky: autorky
Prรญspevok vznikol sย podporou zย fondov Koncepฤnรฉho vรฝvoja vedy, vรฝskumu aย inovรกciรญ na rok 2017 pridelenรฝch Vล B-TUO Ministerstvom ลกkolstva, mlรกdeลพe aย telovรฝchovy ฤeskej republiky.
Literatรบra
- EASTMAN, Ch. โ TEICHOLZ, P. โ SACKS, R. โ LISTON, K.: BIM Handbook. Aย Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers, and Contractors. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2008.
- SMITH, D. K. โ TARDIF, M.: Building information modeling: aย strategic implementation guide for architects, engineers, constructors, and real estate asset managers. Hoboken, NJ: Wiley, 2009.
- SANCHEZ, A. X. โ HAMPSON, K. D. โ VAUX, S.: Delivering Value with BIM, Aย whole-oflife approach. London aย New York: Routledge, 2016.
- WEI, X. โ BONENBERG, W. โ ZHOU, M. โ WANG, J. โ WANG, X.: The case study of BIM in urban planning and design. In: Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 600, pp. 207 โ 217, 2017.
- ล IKULA, O. โ MERKA, V. โ HIRล . J. โ PLรล EK, J.: Maximization of solar gains of an air collector by simulations. In: Applied Mechanics and Materials, vol. 284-287, pp 483-487, 2012.
- LAUSOVร, L. โ SKOTNICOVร, I.: Analysis of experimental measurements and numerical simulations of aย heat field in the light weight building structure. In: Advanced Materials Research, vol. 969, pp. 33 โ 38, 2014.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 3/2018.