Dvouletý provoz administrativní budovy Fenix v Jeseníku – pohled na energetickou bilanci
V červenci 2018 byl dokončen dvouletý monitoring administrativní budovy společnosti FENIX Group a.s. v Jeseníku. Během této doby byly aplikovány různé provozní režimy baterií s cílem otestovat jejich schopnosti pro zajištění provozu energetiky objektu. Tento článek popisuje celé období z pohledu energetických toků v budově. Klíčovými parametry jsou přitom odběr energie, dodávka do sítě, soběstačnost budovy z fotovoltaického zdroje a jeho lokální využití.
O budově byla již napsána řada článků, které uvádí detaily ze stavebního i energetického pohledu [1, 2]. Proto bude popis energetického hospodářství v budově uveden pouze v míře potřebné pro obecný pohled na energetiku budovy.
1 Stručný popis energetického konceptu budovy
Administrativní budova společnosti Fenix Group a.s. v Jeseníku byla stavebně navržena a realizována ve standardu budovy s téměř nulovou spotřebou. Jediným energetickým nositelem je elektrická energie, která je odebírána ze sousedícího výrobního areálu připojeného k distribuční síti (DS) spol. ČEZ. Elektrická energie slouží k zajištění provozu budovy – větrání, chlazení, topení, příprava TV, provoz běžných spotřebičů typických pro administrativní budovu (kancelářské vybavení, IT…). Jelikož se jedná o kancelářské prostory s určeným provozem, velmi dobře se dá na rozdíl od objektu pro residenční bydlení predikovat odběr budovy. Velká část elektrické energie je též získávána lokálně z fotovoltaického (FV) zdroje. Ten pokrývá veškerou dostupnou plochu na střeše, jeho výkon činí 7,28 kWP. Jak bude uvedeno v následujících kapitolách, takto vyrobená energie je téměř beze zbytku lokálně využita pro provoz budovy. To je dáno jednak charakterem odběru administrativní budovy (v případě residenčního bydlení se dosahuje výrazně nižšího stupně lokálního užití okolo 25– 60 %), jednak užitím bateriového úložiště (Li-ion technologie, využitelná kapacita 20 kWh).
Bateriové úložiště dodává energii přímo do vnitřních rozvodů budovy. Pro každou ze tří fází vnitřních rozvodů je dodávka z baterií řízena zvlášť. Řízení nabíjení/vybíjení baterií zajišťuje nadstavbový zakázkově připravený systém MaR. Ten využívá dopřednou kalkulaci energií s užitím predikce výroby FV zdroje a predikce spotřeby v budově se zohledněním zvoleného režimu, tarifů energie a preferencí provozovatele.
Funkce hybridního fotovoltaického (HFV) systému jsou následující:
- Zvýšení lokálního užití FV energie (index Fu)
- Přesun odběru energie z DS do časů nízkého tarifu
- Omezení odběrových špiček (limit odebíraného výkonu z DS)
- Zajištění provozu při výpadku energie z DS (funkce UPS)
- Řízená dodávka energie do DS (podpora DS)
Během provozu mohou nastat následující stavy:
- Plné krytí odběrů budovy z vlastního (FV) zdroje, přičemž
- 1.1. přebytky energie jsou dodávány do baterie
- 1.2. přebytky energie jsou dodávány do distribuční sítě
- 1.3. je omezena výroba FV zdroje
- Částečné krytí odběrů budovy z vlastního (FV) zdroje, přičemž
- 2.1. zbylá potřebná energie je kryta z baterie
- 2.2. zbylá potřebná energie je kryta z distribuční sítě
- 2.3. je omezen provoz budovy
Běžně používané režimy jsou zvýrazněny, režim 1.3 byl užit jen ze začátku monitorovacího období, následně bylo rozhodnuto o dodávce přebytečné energie do sítě. Režim 2.3 je provozován v malé míře – řídí se příprava TV (zásobník TV s elektrickou topnou patronou, v budově je však malý odběr TV) a ohřev vybrané části parkoviště (kritická část nájezdové plochy pro zásobování).
2 Určení provozních parametrů
Zjednodušené schéma energetických toků je patrné z Obr. 1. Elektroměr na přívodu do budovy měří její celkový odběr (Odb) a dodávku energie vně budovy do přidruženého průmyslového areálu (Dod). Celková spotřeba budovy (Sp) je měřena soustavou podružných elektroměrů, dále je měřena energie dodaná FV systémem (FV), energie dodaná do baterií (BatDod) a energie odebraná z baterií (BatOdb).
Obr. 1: Zjednodušené schéma energetických toků v budově
Vlastní soběstačnost za sledované období určíme na základě naměřených energií, Obr. 1. Je však třeba určit, jak nakládat se ztrátami v HFV systému a s přetoky energie vně budovu (Dod). První možností je uvažovat teoretickou soběstačnost, při které ztráty HFV systému nejsou uvažovány a přetoky v rámci net meteringu jsou odečteny od spotřeby. Soběstačnost budovy následně vyjádříme jako
.
V reálném případě je třeba započítat i ztráty na HFV systému a zohlednit fakt, že energie dodaná do DS se v objektu nevyužije. Dostaneme soběstačnost jako
.
Ztráty v HFV systému však můžeme v uvažovaném případě započítat ke spotřebě objektu (technická spotřeba energetického systému), jelikož celý HFV systém plní řadu výše uvedených funkcí, nejenom lokální využití FV energie. Soběstačnost tedy vyjádříme jako:
.
Dalším parametrem je index lokálního užití energie vyrobené z FV zdroje, který udává podíl energie spotřebované v objektu na celkově vyrobené energii FV systémem:
.
3 Výsledky dvouletého monitoringu
Nejprve se podívejme na strukturu užití energie v budově, Obr. 2. Dominantní složku odběru představuje vytápění, které je v provozu sezónně (listopad – duben/květen). Další odběry jsou již během roku téměř konstantní, mezi významné patří zásuvky, pomocné obvody (hlavně datový rozvaděč). Odběr ve zbylých okruzích již není příliš významný.
Obr. 2: Struktura okruhů spotřeb v administrativní budově
Obr. 3: Spotřeba objektu a výroba FV zdroje
Při předpokladu, že veškerá energie vyrobená FV systémem (FV) bude v objektu užita a HFV systém nebude mít další ztráty, získáme z dat na Obr. 1 teoretickou soběstačnost během dvouletého provozu
FsTeor = 13,3/49,7 = 26,8 %. Spotřeba energie v objektu a její výroba v jednotlivých měsících je patrná na Obr. 3.
Obr. 4: Indexy soběstačnosti a vlastní využitelnosti FV energie
Soběstačnost Fs1 je výrazně nižší (14,9 %). Jako vhodný kompromis, kdy ztráty HFV systému přičítáme do spotřeb budovy, můžeme použít Fs2 (24,7 %). Indexy pro jednotlivé měsíce jsou patrné z Obr. 4.
Nutno podotknout, že elektrická energie je jedinou formou energie pro budovu (užití pro vytápění/chlazení a přípravu TV) a budova má administrativní charakter (velké nároky na ventilaci a provoz kancelářských spotřebičů v pracovní dny, nízký odběr TV). Rovněž vzhledem k třem podlažím je plocha střechy pro FV systém v poměru k spotřebě energie limitující. Velké požadavky na topení během zimního období jsou dané řízeným elektrickým ohřevem (sálavé stropní panely, stěnové panely, podlahové vytápění), požadavkem ventilace pro zajištění kvalitního vnitřního prostředí a lokálním klimatem (Jeseník). Nelze tudíž očekávat hodnoty soběstačnosti jako v případě jednopodlažních nízkoenergetických či pasivních rodinných domků obývaných pouze několika osobami.
Obr. 5: Indexy soběstačnosti a vlastní využitelnosti FV energie ve vybraném měsíci v dubnu 2018 (víkendy jsou zvýrazněny)
Index lokálního využití FV energie činí Fu = (13,3 − 1,0) / 13,3 = 92,2 %, což je velmi dobrá hodnota. Převážná část energie se v budově využije, výjimkou jsou malé přetoky do DS v pozdním jarním a letním období. Obr. 5 potvrzuje předpoklad, že vzhledem k charakteru odběru administrativní budovy nastávají přetoky energie do DS převážně o víkendu. V uvedeném příkladu při slunečných dnech je v pátek hodnota Fu nižší kvůli omezenému provozu (velký přebytek energie) a v pondělí z důvodu předem nabitých baterií z víkendu.
Obr. 6: Skladba celkové energie užité v objektu po měsících
Obr. 6 ukazuje skladbu celkové energie v objektu v jednotlivých měsících. Během letního období je převážná část energie získána z FV zdroje, v zimních měsících naopak výrazně dominuje odběr z DS. V některých zimních měsících (listopad 2017 – únor 2018) ztráty HFV systému při zajištění balancujících funkcí objektu převáží nad výrobou FV energie (dodávka HFV systému je záporná).
Obr. 7 ukazuje energetickou bilanci celého monitorovaného období. V HFV systému dochází k výrazným ztrátám, které během dvouletého provozu činily 4,9 MWh. Dělí se na ztráty v bateriích (0,6 MWh) a ztráty v hybridních měničích (4,3 MWh).
Obr. 7: Složení celkové energie užité v objektu během monitorovaného období (kWh)
Baterie byly během sledovaného provozu vysoce využity – proteklo jimi 10,9 MWh elektrické energie, účinnost cyklu (nabití + vybití) byla 95 %. S ohledem na kapacitu baterií došlo k 545 plným cyklům, tj. v průměru 0,7 cyklu denně.
Ztráty v hybridních měničích lze rozdělit na ztráty energie vlastní spotřebou měničů a ztráty účinností při zátěži. Odhad ztráty energie vlastní spotřebou měničů lze provést na základě počtu provozních hodin, počtu měničů a typické hodnoty udávané výrobcem. Dostáváme takto hodnotu energie E = 17 520 h × 3 × 22 W = 1,2 MWh. Zbylou větší část (cca 3,1 MWh) tvoří ztráta energie účinností při zátěži měničů (ztráta na DC/AC převodníku, filtrech…).
4 Závěr
Energetický systém v administrativní budově Jeseník je atypický svým širokým spektrem režimů a funkcí pro zajištění jednak úspor energií ze strany provozovatele, jednak pro podporu DS. Baterie jsou tímto provozem silně cyklovány. Jelikož jsou navrženy na 5 000 plných cyklů, nepředpokládá se jejich nutná výměna v následujících několika letech provozu.
Pro provozovatele HFV systému dává výše popsaný režim smysl jen v případě, že podpůrné služby bude provozovatel DS vhodně finančně či jinak bonifikovat. To je záležitost konceptů chytrých sítí, energetiky aktivních budov a jejich provozovatelů v roli tzv. prosumerů (současných výrobců i spotřebitelů). Vše souvisí pochopitelně s legislativou a probíhající postupnou liberalizací trhu s energií. I uvedená budova v tomto ohledu udělala malý krůček dopředu. Ve spolupráci s ČEZ distribuce bylo v červnu 2018 v objektu prováděno společné testování, které mělo za cíl ověřit koncept dálkově řízených podpůrných služeb pro distribuci a vliv na kvalitu sítě. Měření proběhlo úspěšně, podrobné výsledky budou sloužit zúčastněným stranám pro další rozvoj v oblastech chytré energetiky a budou prezentovány na odborných konferencích či workshopech.
Časté balancování energie v budově a podpora DS se projevuje ve zvýšených ztrátách energie v HFV systému, což je patrné z naměřených dat. Ke ztrátám dochází převážně na straně měničů, velký podíl má v uvedeném případě i jejich vlastní provoz v zapnutém stavu. Použité baterie vykázaly dobrou cyklickou účinnost (naměřeno 95 %).
Monitoring objektu bude i po tomto základním a klíčovém období dále probíhat. Provozní režimy budou dále laděny s ohledem na aktuální vývoj v oblasti chytré energetiky a trendů při užití a integraci obnovitelných zdrojů do budov, velký důraz bude též kladen na sledování aktuální kapacity a životnosti baterií.
Poděkování
Tato práce byla podpořena z programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Literatura
- Urban, M.; Bejček, M.; Wolf, P.; Vodička, A. Koncept administrativní budovy jako budovy s téměř nulovou spotřebou energie. Vytápění, větrání, instalace. 2017, 26(1), 30-36. ISSN 1210-1389.
- Wolf, P.; Novák, E.; Včelák, J.; Urban, M. Administratívna budova spoločnosti Fenix Group TZB HAUSTECHNIK SK. 2017, XXV.(3/2017), 24-27. ISSN 1210-356X.
In July 2018, a two-year monitoring of the FENIX Group a.s. in Jeseník. During this time, different battery operating modes were applied to test their capabilities to ensure the power operation of the object. This article describes the entire period in terms of energy flows in the building. The key parameters are energy consumption, supply to the grid, self-sufficiency of the building from the photovoltaic source and its local use. A number of articles have been written about the building, detailing the building and energy aspects [1, 2]. Therefore, the description of the energy economy in the building will be given only to the extent necessary for a general view of the building's energy.