Výpočtový nástroj na bilancování budov s fotovoltaickými systémy
Návrh fotovoltaického systému se zohledněním tepelné ztráty, vnějších i vnitřních zisků, způsobu vytápění a ohřevu vody umožňuje výpočtový nástroj vytvořený pro bilancování budov s fotovoltaickými systémy. V příkladu jsou porovnány kombinace FS s tepelným čerpadlem nebo s elektrickým kotlem.
1. Úvod
Obr. 1 Ilustrační příklad kombinace fotovoltaického systému s tepelným čerpadlem (Grafika: redakční úprava schématu k Samsung, EHS Mono HT Quiet)
V rámci příspěvku je popsán výpočtový nástroj vytvořený pro bilancování budov s fotovoltaickými systémy. Nedílnou součástí nástroje je rozpočet ročních potřeb energie budovy na podrobnější hodinová data za pomoci zadání jednoduchých vstupních parametrů. Součástí energetických bilancí je potřeba tepla na vytápění, přípravu teplé vody a spotřeba uživatelské energie (domácí spotřebiče a osvětlení). Ve vazbě na bilancování fotovoltaických systémů je umožněn výběr zdroje tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Cílem nástroje je přiblížit návrh fotovoltaického systému realitě, a to již v rané fázi návrhu a se zahrnutím uživatelské energie, která není součástí úředního hodnocení.
Obr. 2 Ilustrační příklad kombinace elektrokotle s tepelným čerpadlem (Grafika: redakční úprava schématu k Samsung, EHS Mono HT Quiet)
Ve vazbě na současné globální problémy týkající se snižování uhlíkové stopy, snižování spotřeby primární energie z neobnovitelných zdrojů, snahy o získání energetické nezávislosti či vysokých cen za energie, dochází v dnešní době k masivnímu nárůstu instalací fotovoltaických systémů (FVS), tepelných čerpadel, zateplování objektů a dalších opatření vedoucí ke snížení absolutní spotřeby energie a tím i provozních nákladů. S tím přicházejí i zpřísňující se změny v hodnocení energetické náročnosti budovy [1].
V rámci průkazů energetické náročnosti budovy (PENB) se od 1. 1. 2023 musí budovy s fotovoltaickými systémy, chlazením či vlhčením hodnotit s hodinovým časovým krokem, což vede k dalšímu zpřesnění výpočtů oproti původnímu měsíčnímu výpočtu. Výpočetní nástroj, který je předmětem tohoto příspěvku, slouží k rychlému hodinovému bilancování fotovoltaického systému s ostatní spotřebou elektrické energie, která zahrnuje mimo jiné i podrobnější bilanci obecně elektrického zdroje tepla a také uživatelskou energii, která při bilancování fotovoltaických systémů při úředním hodnocení energetické náročnosti budovy chybí.
2. Vstupní parametry
Výpočetní nástroj byl vytvořen v softwaru Microsoft Excel. Bilanční nástroj se skládá ze dvou zadávajících formulářů pro vstupní parametry výpočtu a dále z pěti základních výpočetních modulů. Zadávací formuláře slouží také jako prostředí pro prezentaci výsledků.
2.1 Zadání budovy
Pro účely jednoduchého využití výpočetního nástroje byl kladen důraz na celkové zjednodušení a snížení počtu vstupních parametrů pro definici budovy. V případě neznalosti některých vstupních parametrů je umožněno využít volby „neznám“, přičemž jsou použity obvyklé hodnoty. Hlavní vstupní údaje jsou rozděleny do tří podskupin: parametry budovy, měrné potřeby energie a definice denních profilů.
Zadání parametrů budovy se skládá z následujících údajů: energeticky vztažná podlahová plocha [m2], celková tepelná ztráta [kW], celková plocha oken [m2], druh zasklení oken [–], vnitřní zisky (osoby, spotřebiče) [W/m2], typ stavby z pohledu akumulačních vlastností [–].
Měrné potřeby energie se zadávají pro vytápění [kWh/m2.rok], přípravu teplé vody (TV) [kWh/m2.rok] a uživatelskou energii (osvětlení, domácí spotřebiče) [kWh/m2.rok].
Výběr z předdefinovaných denních profilů se provede následně pro přípravu TV a uživatelské energie nebo si uživatel vytvoří vlastní. Na Obr. 3 (vlevo) je zobrazen zadávací formulář pro budovu.
Obr. 3 Zadávací formuláře – zadání budovy (vlevo), zadání zdroje energie (vpravo)
2.2 Zadání zdroje
Na Obr. 3 (vpravo) je zobrazen zadávací formulář pro zdroje energie. Pro zadání fotovoltaického systému (FVS) jsou potřeba hlavní parametry: plocha fotovoltaických panelů [m2], referenční účinnost panelů [%], orientace a sklon panelů a zvolení klimatického roku. V případě existence bateriového úložiště se zadává jmenovitá kapacita baterií [kWh], využitelnost jmenovité kapacity baterií [%] a účinnost při nabíjení/vybíjení baterií [%].
Výpočet FVS je umožněn pro dvě různá fotovoltaická pole s různou orientací a sklonem. Volba orientace a sklonu je předdefinována v rozsahu orientace východ až západ a rozsahu sklonu 15 až 45°. Volba klimatického roku byla předdefinována do 3 kategorií zohledňující chladnější, střední a teplejší klimatický rok, kde si lze snadno ověřit rozsah produkce FVS na základě různých klimatických dat a také citlivost těchto klimatických dat na celkovou produkci FVS.
Pro zadání zdroje tepla je nejprve potřeba definovat, o který zdroj tepla se jedná. V nabídce zdrojů je tepelné čerpadlo, elektrokotel/přímotopy a neelektrický zdroj tepla. Následuje volba účelu využití zdroje tepla (pouze vytápění, pouze příprava TV, vytápění i příprava TV). V případě volby tepelného čerpadla se zadávají jmenovité hodnoty topného faktoru a tepelného výkonu při zvolených teplotních podmínkách (A7/W35), dále teplota přívodní otopné vody a teploty teplé vody v případě, že se tepelné čerpadlo pro dané účely využívá.
3. Výpočtové moduly
Samotné výpočtové jádro se skládá celkem z pěti výpočtových modulů: potřeba tepla na vytápění, potřeba tepla na přípravu TV, uživatelská energie, zdroj tepla a fotovoltaický systém.
Modul 1) Potřeba tepla na vytápění
Zadávající formulář budovy vyžaduje roční hodnotu měrné potřeby tepla na vytápění. Pro účely podrobnějšího bilancování byl vytvořen výpočtový modul generující hodinový průběh potřeby tepla na vytápění pro ucelený rok, který je vypočten na základě roční potřeby tepla na vytápění, resp. celkové tepelné ztráty a dalších vstupních parametrů.
Modul 2) Potřeba tepla na přípravu TV
Na základě volby či tvorby denního profilu pro přípravu TV je proveden rozpočet zadané roční potřeby tepla na přípravu TV do hodinového průběhu pro ucelený rok. Modul předpokládá zjednodušeně jeden opakující se den pro celý rok bez uvažování víkendů, svátků, dovolených apod.
Modul 3) Uživatelská energie
Uživatelská energie je elektrická energie spotřebována osvětlením a domácími spotřebiči (kuchyně, úklid, zábava). Pro účely zjednodušení výpočetního nástroje se zvolený předdefinovaný či vlastně vytvořený denní profil uživatelské energie opakuje v rámci celého roku bez uvažování víkendů, svátků, dovolených apod. Součástí uživatelské energie je také spotřeba elektrické energie na osvětlení. V rámci odběrového profilu uživatelské energie se zohledňuje pokles potřeby elektrické energie na osvětlení v letních měsících a její nárůst v zimních měsících kvůli proměnné době slunečního svitu v rámci roku. Uvažování uživatelské energie vede k reálnějším výsledkům ve vazbě na bilancování FVS.
Modul 4) Zdroj tepla
Modul zdrojů tepla slouží obecně k výpočtu spotřeby elektrické energie pro definované zdroje tepla, například přímotopy, elektrokotel či tepelné čerpadlo. Provozní účinnost přímotopu a elektrokotle se uvažuje po celý rok konstantní.
Pro hodnocení provozu tepelného čerpadla hodinová bilance ve vazbě na klimatická data a proměnný topný faktor i topný výkon v rámci provozu v závislosti na typu tepelného čerpadla a zadaných jmenovitých parametrech: topného faktoru a výkonu při definovaných teplotních podmínkách. Výpočet proměnného topného faktoru i výkonu v závislosti na měnících se podmínkách během roku vede k reálnějším výsledkům oproti uvažování konstantního průměrného ročního provozního topného faktoru tepelného čerpadla.
Modul 5) Fotovoltaický systém
Jedná se o výpočet produkce FVS se zohledněním teplotní závislosti účinnosti FV panelů a uvažováním elektrických ztrát systému. Součástí výpočtu je možnost implementace bateriového úložiště. Modul FVS umožňuje výpočet dvou různě orientovaných fotovoltaických polí v hodinovém časovém kroku v závislosti na zvoleném klimatickém roku. Vyhodnocuje se solární pokrytí potřeby elektrické energie produkcí FV systému a využití produkce elektrické energie FV systému v místě spotřeby.
4. Prezentace výsledků
Obr. 4 Hodinová bilance FVS s baterií a bez baterie, s uživatelskou energií, pro 1 den, pro letní období
Pro účely příspěvku je na Obr. 4 prezentována grafická denní bilance uživatelské energie a produkce FVS pro letní den s hodinovým krokem, kde lze pozorovat rozdíl ve využití produkce FVS při uvažování či neuvažování bateriového úložiště (s neelektrickým zdrojem tepla). Jedná se o FVS o výkonu 5,7 kWp a kapacitě případné baterie 5 kWh. Spotřeba uživatelské energie je 3,2 MWh/rok. FVS bez akumulace vede k solárnímu pokrytí potřeby elektrické energie 18 % a místní využitelnosti produkce 35 %, přičemž FVS s akumulací vede k solárnímu pokrytí 29 % a využitelnosti 56 %. Implementace bateriového úložiště vede tedy přirozeně ke zvýšení solárního pokrytí i využitelnosti produkce FVS v místě.
Obr. 5 Hodinová bilance FVS s baterií, s TČ a přímotopným systémem, s uživatelskou energií, pro 2 dny, pro přechodové období (duben)
Na Obr. 5 jsou pro další příklad zobrazeny dvoudenní bilance FVS a spotřeby elektrické energie na provoz tepelného čerpadla vzduch-voda a spotřeby přímotopného systému pro účely vytápění i přípravy TV v přechodovém období (duben). Jedná se o rodinný dům s potřebou tepla pro vytápění 10 MWh/rok, pro přípravu TV na úrovni 3 MWh/rok a se spotřebou uživatelské elektrické energie 3,2 MWh/rok. V případě použití tepelného čerpadla se jedná o celkovou spotřebu elektrické energie 9,7 MWh/rok a v případě přímotopného systému 16,8 MWh/rok. Při uvažování identického FVS o výkonu 15,2 kWp a kapacitě baterií 6 kWh je v případě instalace tepelného čerpadla solární pokrytí potřeby elektrické energie 40 % a místní využitelnost celkové produkce FVS okolo 28 %, zatímco v případě přímotopného systému 30 %, resp. 36 %.
5. Závěr
V příspěvku byl popsán výpočetní nástroj pro bilancování budov s fotovoltaickými systémy, a to včetně popisu jeho částí, resp. modulů a příkladů prezentace výsledků. Nástroj slouží zejména pro získání rychlého přehledu o bilanci elektrické energie v objektu ve vazbě na návrh fotovoltaického systému. Součástí výpočetního nástroje je rozpočet roční potřeby tepla na hodinový průběh, což může být využito i mimo rámec nástroje pro jiné účely. V rámci vylepšení nástroje se plánuje zahrnutí ekonomického hodnocení, které může být rozhodujícím kritériem při plánovaní investice do uvedených technologií.
Literatura
- Vyhláška 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov. Ministerstvo průmyslu a obchodu. 2020.
- Strategies for Efficiency Houses Plus. Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB) [online]. Berlín, 2016. Dostupné z:
www.zebau.de/fileadmin/images/Projekte/Informationsstelle/Energieeffizienzhaus_eng_bf_CPS.pdf.
The design of a photovoltaic system taking into account heat loss, external and internal gains, the method of heating and water heating is made possible by a calculation tool created for the balancing of buildings with photovoltaic systems. In the example, combinations of FS with a heat pump or with an electric boiler are compared.