Univerzitné centrum energeticky efektívnych budov ČVUT

Univerzitné centrum energeticky efektívnych budov UCEEB vzniklo ako samostatný vysokoškolský ústav ČVUT v Prahe zameraný na vznik stavieb, ktoré sú energeticky efektívne, priateľské k životnému prostrediu a svojim obyvateľom poskytujú patričný komfort.

Architektonická koncepcia
Hlavnou hmotou budovy je blok testovacej haly s výškou 9 m, ku ktorému sú na severnej a východnej strane pripojené nižšie prízemné časti so špecializovanými laboratóriami a výučbovou miestnosťou. Dominantu budovy tvorí administratívne krídlo, položené na strechu laboratórií v smere západ – východ ako drevený hranol so šikmo zrezanými čelami.

Orientácia stavby na svetové strany, zvolenie netradičného konštrukčného systému a rôzne typy obalových konštrukcií tvoria ideálne podmienky na splnenie účelu budovy. Jednoznačná orientácia pozdĺžnej osi stavby v smere západ – východ umožňuje umiestnenie solárnych zariadení na časť stavby obrátenej na juh (fotovoltické panely na strešné svetlíky haly v sklone 34°, vzduchový solárny kolektor s plochou približne
360 m2 na južnú fasádu haly) a, naopak, priaznivé osvetlenie špecializovaných laboratórií a testovacej haly (svetlíky) od severu.
Na hlavnú nosnú konštrukciu sa demonštračne zvolilo lepené lamelové drevo, a to ako na halovú, prízemnú, tak aj na dvojpodlažnú časť budovy. Drevo je aj hlavným materiálom pri väčšine obalových konštrukcií – najmä pri fasádach haly a administratíve.

Dôležitou súčasťou architektonického riešenia je aj programové využívanie zelene. Okrem sadových úprav je zeleň zároveň aktívnou súčasťou samotnej budovy. Dispozične aj prevádzkovo je budova rozdelená na tri vzájomne prepojené časti. Do centra dispozície je navrhnutý vstupný a administratívny dvojpodlažný blok. Hlavný vstup pre zamestnancov a návštevy je z východu, zásobovanie je navrhnuté na protiľahlej strane z oplotenej manipulačnej plochy. Testovacia hala slúži na veľké pokusy na celých testovacích budovách a ich komponentoch v mierke až
1 : 1. Časť je vymedzená priamo na zostavenie testovaných konštrukcií, ďalšie priestory sú vyčlenené priestorovo náročnejšiemu zázemiu (tzv. klíma komora), v južnom dvojpodlažnom trakte haly je umiestnená akustická komora, špecializované laboratóriá a sklady.

Stavebno-energetická koncepcia

Budova Univerzitného centra energeticky efektívnych budov (UCEEB) má veľmi rôznorodé prevádzkové požiadavky, preto nebolo úplne jednoduché vytvoriť jej stavebno-energetickú koncepciu. V budove UCEEB môžeme identifikovať súvislú vykurovanú zónu – dvojpodlažnú, prevažne administratívnu časť s jednotlivými nadväzujúcimi laboratóriami –, ktorú môžeme aj samostatne hodnotiť. Rozhodujúci objem stavby s veľkým halovým priestorom a nadväzujúcim blokom laboratórií pri južnej fasáde je vhodné považovať vo výpočtovom modeli za susedný nevykurovaný priestor, i keď aj jeho obvodové konštrukcie sú tepelne izolované. V týchto priestoroch je požiadavka na vykurovanie len v čase niektorých z mnohých druhov experimentov, a to spravidla vždy len vo vymedzenej časti. Energie, ktoré sú tu využité na vykurovanie a chladenie, potrebné niekedy dokonca aj súčasne podľa povahy experimentov, nemožno započítavať do stavebnej energetickej náročnosti v zmysle obvyklého vnímania tohto pojmu. Tieto energie možno prirovnať k energiám na výrobné procesy v továrni, aj keď ich využitie môže viesť k vyšším teplotám vzduchu, než by zodpovedalo obvykle uvažovanému susednému nevykurovanému priestoru podľa obvyklých modelov výpočtov. Halové priestory sú zo západnej strany prístupné cez veľké vráta, ktoré môžu byť podľa povahy prípravy a realizácie experimentov dlhší čas otvorené.

Obvodové konštrukcie rozhodujúcej vykurovanej časti sú navrhnuté na úrovni zodpovedajúcej obvykle pasívnemu štandardu (súčiniteľ prechodu tepla obvodovej steny 0,14 W/(m2 . K), okien 0,8 W/(m2 . K), strechy 0,10 W/(m² . K), podlahy na teréne 0,30 W/(m² . K), podlahy nad vonkajším priestorom 0,11 W/(m² . K)). Priemerný súčiniteľ prechodu tepla obálky budovy (teda tejto vykurovanej zóny) je 0,31 W/(m² . K).

V tejto časti sa realizovalo nútené vetranie so spätným získavaním tepla s riadením po miestnostiach podľa ich obsadenia. Výnimku tvoria niektoré laboratóriá, pri ktorých nemožno realizovať spätné získavanie tepla s ohľadom na charakter laboratórnej prevádzky (zdraviu škodlivé látky, digestory). Merná potreba tepla na vykurovanie vykurovanej časti budovy je však aj pri tomto objektívnom „handicape“ veľmi nízka – 31 kWh/(m² . a).
Charakter práce výskumných tímov nemožno vopred úplne predpovedať – nie je jasné, koľko času budú pracovať v kancelárii a koľko v laboratóriách a skúšobnej hale pri experimentoch. Z toho vyplývajú aj neistoty deklaratívneho výpočtu energetickej náročnosti, do ktorého sa nevyhnutne premietajú predpoklady obsadenia a vybavenia jednotlivých kancelárií (ovplyvnenie potrebného objemu čerstvého vzduchu na jednej strane a produkcia tepelných ziskov na druhej strane).

Budovu môžeme hodnotiť aj z pohľadu nových legislatívnych požiadaviek na energetickú náročnosť budov (vyhláška č. 78/2013 Sb., ktorá v českom prostredí realizuje požiadavky známej európskej smernice), aj keď sa na ňu z právneho hľadiska nevzťahujú: Obálka budovy zodpovedá triede B (veľmi úsporná). Hodnota neobnoviteľnej primárnej energie bude zrejme spĺňať požiadavku pre budovy s takmer nulovou spotrebou energie (záväzná od roku 2018 pre budovy financované z verejných prostriedkov) vzhľadom na značný podiel kogeneračnej výroby tepla a elektriny vo vlastnom výskumnom zariadení a fotovoltickú inštaláciu. Bonusom je využiteľnosť časti energie vyprodukovanej v súvislosti s niektorými experimentmi.

Unikátne energetické laboratórium
Jednou z priorít centra je výskum a vývoj technológií na znižovanie energetickej náročnosti budov a jednou zo strategických tém zabezpečenie vnútorného prostredia budovy v požadovanej kvalite a s minimálnymi nárokmi na spotrebu energií. Univerzitné centrum je samo osebe unikátnym laboratóriom a pýši sa špičkovým technologickým vybavením. V energetickej koncepcii microgrid sa už budova UCEEB nechápe len ako spotrebič, ale zároveň ako energetický zdroj, ktorý aspoň čiastočne pokrýva vlastnú spotrebu a zároveň je schopný dodávať elektrinu do distribučnej sústavy.

Zásobovanie teplom a chladom poskytuje mikroturbína C65, ktorá produkuje okrem elektriny približne 110 kW tepla v závislosti od aktuálneho elektrického výkonu a atmosférických podmienok. Na situáciu, keď teplo z mikroturbíny nestačí pokryť spotrebu alebo je turbína mimo prevádzky, je objekt univerzitného centra vybavený dvomi plynovými kotlami s jednotkovým výkonom 108 kW. Teplo možno v rámci systému akumulovať do podzemného zásobníka s kapacitou 20 m3 a dvoch prevádzkových zásobníkov s objemom 2 × 5 m³. Kompresorová chladiaca jednotka produkuje chlad so špičkovým výkonom 250 kW. Do systému sú z experimentálnych dôvodov zapojené dve sorpčné jednotky – absorpčná s výkonom 70 kW a adsorpčná s výkonom 10 kW. Obnoviteľné zdroje energie zastupuje pole fotovoltických panelov so špičkovým výkonom približne 35 kWp inštalovaných na streche budovy a experimentálne fotovoltické pole na južnej fasáde budovy s výkonom 12 kWp. Zdroje energie spolupracujú s batériovým úložiskom využívajúcim Li-ion akumulátory s celkovou kapacitou 63 kWh, ktoré je schopné dodať do siete budovy trvalý výkon 30 kW.

Prevádzkový režim výskumného centra je v porovnaní s priemyselným závodom zložitejší. Zatiaľ čo podniky majú obvykle veľmi dobré znalosti o denných a nočných potrebách energií, experimentálna povaha centra neumožňuje jednoznačne určiť presný odberový profil. Štyri energeticky významné laboratóriá s jednotkovými požiadavkami na okamžitý elektrický výkon vyšší než 50 kW majú zásadný vplyv na spotrebu energie v celej budove. Tieto jednotkové požiadavky závisia od typu a množstva vykonaných experimentov, ktoré sa pre jednotlivé zariadenia plánujú v ročnej bilancii. Okrem toho záleží aj na ich aktuálnom prevádzkovom stave, ak sa teda využívajú. Súčasný energetický dohľadový systém automaticky nakladá s energiou uloženou v batériovom systéme, energiou z distribučnej sústavy a obnoviteľného zdroja. Automatický algoritmus sleduje spotrebu a v prípade rizika prekračovania dojednanej kapacity odopína neprioritné záťaže, uvoľňuje energiu z akumulátorového úložiska a prípadne spína kogeneračnú jednotku.

Teplo v univerzitnom centre sa nevyužíva len na vykurovanie, ale aj pre potreby niektorých laboratórií, ktoré ho využívajú na svoju činnosť paralelne s chladom. Objekt je ďalej vybavený šiestimi centrálnymi a ôsmimi decentralizovanými vzduchotechnickými jednotkami s rekuperáciou energie (pre špeciálne laboratóriá).

Tieto jednotky takisto spotrebúvajú teplo aj chlad. Z jednoduchého porovnania dostupných elektrických zdrojov a maximálneho príkonu je zrejmé, že budova musí byť za jestvujúcich podmienok schopná minimálne „bilančného“ odpojenia od elektrizačnej sústavy, keď je produkovaná elektrina v rovnováhe so spotrebou. V areáli UCEEB sú inštalované dve nabíjacie stanice pre elektromobily. Výskumné centrum doplnilo v minulom roku svoju energetickú infraštruktúru o elektromobil BMV i3 s riaditeľnou dobíjacou stanicou.

Energocentrum je prepojené potrubnými rozvodmi s laboratóriami tímu Energetické systémy budov na experimentálne účely v reálnej mierke. Všetky zariadenia v energocentre sú monitorované a vyhodnocované v rámci nadradeného systému MaR, pričom sa sledujú ich prevádzkové parametre (produkcia a spotreba energií) na overenie funkčnosti navrhnutej koncepcie a na ďalšiu optimalizáciu riadenia inštalovaných zdrojov energie.

Činnosť výskumného centra ako multiodborového pracoviska
UCEEB vzniklo na účely zjednodušenia spolupráce univerzity s priemyslom. Presnejšie povedané, zameriava sa na komercializáciu výsledkov výskumu, transfer technológií, spoluprácu s priemyslom a rozvoj synergickej inovačnej kultúry.
Jeho pridanou hodnotou je schopnosť vyvíjať, inovovať a prichádzať s originálnymi riešeniami v oblasti trvalo udržateľných budov v celom ich životnom cykle vrátane zdravého vnútorného prostredia, s ohľadom na úsporu investičných a prevádzkových nákladov a energií.

Centrum s úspechom využíva spoluprácu a know-how vedcov a inžinierov zo štyroch fakúlt ČVUT z oblasti elektrotechniky, stavebného, biomedicínskeho a strojárskeho inžinierstva. Špičkové technologické vybavenie a rozmanitosť laboratórneho zariadenia ponúka miestnym aj zahraničným študentom možnosť využívať laboratóriá aj zariadenia na študentské záverečné práce, ktoré sa prednostne navrhujú na zefektívnenie technológií používaných komerčne v priemysle.

Jednou z priorít UCEEB, ako sme sa už zmienili, je prepájať vedu s priemyslom a spolupracovať na významných európskych a svetových projektoch.
Jednou z tematických priorít UCEEB sa tak stal projekt Smart Cities. Multidisciplinárny tím sa zaoberá konceptom Smart Cities a Smart Grids. Úzko spolupracuje s municipalitami a nadväzuje partnerstvá a spoluprácu s mestami, obcami a ďalšími subjektmi verejného sektora.

UCEEB nielenže spolupracuje s komerčnými a nekomerčnými partnermi, ale rieši aj niekoľko národných a nadnárodných projektov, ktorých výstupom je vývoj a výskum v podobe ponúkaných služieb a produktov, vďaka ktorým si môžu užívatelia napríklad zabezpečiť požadovanú tepelnú pohodu v budove, a to za cenu minimálnej spotrebovanej energie (MPC riadiaci systém), sledovať vlhkosť priamo v stavebnej štruktúre drevených konštrukcií (Moisture Guard), sledovať mechanické namáhanie v štruktúre drevených nosníkov (Smart GLT) alebo optimálne zaobchádzať s energiou z fotovoltického zdroja na základe predpovede osvitu (PV Forecast).

Investor: České vysoké učení technické v Praze
Autori: prof. Ing. arch. Tomáš Šenberger, Ing. arch. Tomáš Med
Poradenstvo v oblasti nízkoenergetických budov: prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc.
Generálny projektant: Grebner, projektová a inženýrská kancelář
Technický dozor investora: NOSTA-HERTZ, s r.o.
Generálny dodávateľ: Metrostav, a. s.
Projekt: 2009 – 2012
Realizácia: 2012 – 2014
Plocha pozemku: 19 500 m²
Zastavaná plocha: 3 960 m²
Úžitková plocha: 5 040 m²
Zastavaný priestor: 32 350 m³
Náklady: 288 mil. Kč

prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc., prof. Ing. arch. Tomáš Šenberger, Ing. arch. Tomáš Med, Ing. Jakub Maščuch, PhD., Ing. Jan Včelák, PhD., Ing. Jana Simčinová

Jan Tywoniak, Jakub Maščuch, Jan Včelák a Jana Simčinová pracujú v UCEEB ČVUT. Tomáš Šenberger a Tomáš Med sú autormi budovy.

Foto: Monika Žitníková, UCEEB ČVUT

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK 4/2016.