Energetická flexibilita budov
Příspěvek se zabývá definicí energeticky flexibilní budovy, jejího vlivu na stabilitu okolní sítě s plánovaným vzrůstajícím podílem energie z obnovitelných zdrojů a možnosti využití tepelně akumulačních vlastností stavebních konstrukcí. Článek dále rozebírá vybranou metodiku pro hodnocení energetické flexibility budovy a uvádí příklad tepelně aktivovaných stavebních konstrukcí.
Úvod
Výraz „flexibilní budova“ může být vnímám významně rozdílným způsobem v závislosti na souvislostech a prostředí, ve kterých je používán. Tento termín se nejčastěji vyskytuje ve spojení s prostorovou flexibilitou budov, kdy se má na mysli např. snadné uzpůsobení interiéru budovy její nové funkci. Tzn., že flexibilní budova má dispozičně uvolněný prostor a takové budovy mají obvykle skeletový nosný systém, vyšší konstrukční výšku a v optimálním případě demontovatelné dělící konstrukce. Existuje také konstrukční flexibilita budovy, o které se hovoří v případě návrhu budov v seizmických oblastech. Termín „energetická flexibilita budovy“ představuje relativně nový koncept, který se dostal do pozornosti v souvislosti s tzv. chytrými sítěmi. Další souvislost, ve které se objevuje tento termín, je uvažovaný rozvoj využívání energie z obnovitelných zdrojů. Na tomto místě je třeba zmínit především jako náhradu obvyklých zdrojů energie, jako jsou využívajících fosilní paliva pro vytápění a ohřev vody v budovách za tepelná čerpadla. V případě dopravních prostředků se v této souvislosti hovoří o přechodu od spalovacích motorů k elektromobilům. Využívání obnovitelných zdrojů energie, např. energie slunce či větru, však vyžaduje vyřešení problému časové neshody mezi nabídkou energie přeměněné z primárního zdroje a aktuální spotřebou. Tento nesoulad je obvykle řešen zajištěním flexibility na straně dodávky, při čemž se obvykle využívají zdroje produkující velké množství CO2 a další nežádoucí emise (plynové či hnědouhelné elektrárny). Je však jasné, že v případě naplnění myšlenek a cílů trvale udržitelného rozvoje je třeba hledat čistší řešení. V této souvislosti se tedy jeví jako nezbytné zajistit flexibilitu elektrické soustavy ne jenom na straně dodávky, ale také v místě spotřeby přijetím vhodných opatření.
Potenciál energetické flexibility budov
K řešení výše popsaného problému může výraznou měrou přispět právě energetická flexibilita budov. Provoz budov představuje významnou část celkové spotřeby elektřiny společnosti a energie v obecném slova smyslu a tak zlepšení flexibility odběru energie hraje klíčovou roli při stabilizaci energetických systémů.
Tzv. reakce na poptávku (DR – demand response) není novým konceptem a představuje například modifikaci běžných profilů užívání jako reakci na rozdílnou cenu elektřiny (Lopes et al., 2016). Standardně se používají dva přístupy ke zvýšení flexibility budov a to akumulační ohřev a odložení odběru elektřiny. První přístup se obvykle používá v případě očekávané spotřeby energie určitých elektrických zařízení např. akumulační ohřev vody za účelem snížení spotřeby elektřiny v pozdější době při uvažování potřeb pro zajištění komfortu uživatelů budov. Druhý přístup využívá posunu poptávky po elektřině na pozdější dobu prostřednictvím řízení provozu některých elektrických zařízení, jako jsou myčky na nádobí, pračky nebo sušičky prádla. V tomto případě se běžně hovoří o spotřebičích s tzv. odloženým startem. Smyslem není úspora elektřiny, ale její odběr v době, kdy je k dispozici nízký tarif nebo zvýšená produkce elektřiny z obnovitelných zdrojů ve vlastní budově.
Energetická flexibilita budov tedy souvisí s popsanou reakcí na poptávku po energii (DR), která se ale liší od běžného profilu zatížení energetické soustavy. Lze tedy říci, že zvýšení energetické flexibility elektrických systémů tím, že využijeme výhody potenciálu přeměny energie z obnovitelných zdrojů a zavedeme opatření pro řízení spotřeby v budovách, přispěje významnou měrou k zajištění trvale udržitelného rozvoje.
V rámci IEA EBC Annex 67 Energy Flexible Buildings byla navržena obecná definice, která říká, že energetickou flexibilitou budovy se rozumí schopnost řídit poptávku po energii a její produkci podle místních klimatických podmínek, uživatelských potřeb a požadavků sítě (Jensen et al., 2017). Energetická flexibilita budov tak umožní na straně poptávky (budovy) řízení odběru energie na základě požadavků sítě a dostupnosti energie z obnovitelných zdrojů za účelem minimalizace emisí CO2. Budovy tedy mohou být součástí řešení v budoucích energetických sítích, ve kterých bude kolísat produkce elektřiny z obnovitelných zdrojů (Dréau et Heiselberg, 2016). Moderní budovy s nízkou spotřebou primární energie nejenom spotřebovávají energii, ale jsou i jejími producenty. Zároveň mají vysoký akumulační potenciál ve stavebních konstrukcích nebo technických zařízení budov, jako jsou vodní zásobníky nebo baterie.
Příspěvek tepelněakumulačních vlastností stavebních konstrukcí k energetické flexibilitě
Energetická flexibilita skýtá potenciál pro uživatele domů ve smyslu snížení provozních nákladů, zvýšení podílu využití obnovitelných zdrojů energie pro provoz budov a snížení produkce skleníkových plynů. Toho lze dosáhnout v případě, když je pro optimalizaci profilu poptávky po energii využita zejména tepelněakumulační kapacita stavebních konstrukcí, např. tepelně aktivované konstrukce. Jedním ze zdrojů energie pro provoz budov, který je v podmínkách České republiky stále více využíván, jsou tepelná čerpadla. Vzhledem k tomu, že při jejich provozu dochází ke konverzi elektřiny na teplo s využitím energie okolního prostředí, lze u těchto zdrojů s výhodou integrovat zásobník citelného tepla, který představuje levnou alternativu k přímé akumulaci elektřiny. Akumulaci tepla dnes standardně využívají systémy pro přípravu teplé vody nebo je teplo ukládáno (akumulováno) přímo do stavebních konstrukcí. V dalším textu je uveden jeden ze způsobů hodnocení potenciálu energetické flexibility budov využívající tepelněakumulační kapacitu stavebních konstrukcí.
Dostupná tepelněakumulační kapacita vyjadřuje množství tepla, které může být akumulováno do stavebních konstrukcí během aplikace tzv. aktivní reakce na poptávku (ADR – active demand response). Tzn., že množství tepla, které může být uchováváno v budově či bytové jednotce, nezáleží jen na tepelnětechnických vlastnostech stavebních materiálů, ale také na vlastnostech a aktuálnímu provozování vytápěcích a větracích systémů. Dále je třeba zmínit, že tepelná kapacita stavebních konstrukcí není konstantní v čase, ale mění se v závislosti na klimatických podmínkách a chování uživatelů, a proto její popis musí brát v potaz časové závislé aspekty. Dostupnou kapacitu v případě uvažování ADR v kWh lze tedy definovat jako množství energie, které můžeme uložit do akumulačního systému bez ohrožení komfortu v časovém rámci uplatnění ADR za daných dynamických okrajových podmínek (Reynders et al., 2017). Proces ADR začíná v situaci, kdy vnitřní teplota v budově se rovná minimální teplotě pro stanovený rozsah teplotního komfortu. Při ADR vzrůstá teplota v důsledku provozu otopné soustavy o ∆Tcomf pro časový úsek lADR. Dostupná tepelná kapacita je pak dána integrací rozdílů mezi tepelným výkonem při ADR a tepelným výkonem při normálním provozu:
(1)
kde je
- CADR
- dostupná tepelná kapacita ve Ws
- QADR
- výkon tepelné soustavy při ADR ve W
- QRef
- výkon tepelné soustavy při běžném profilu užívání ve W
- lADR
- doba trvání ADR v s
Běžný profil užívání odpovídá profilu otopné soustavy, který udržuje teplotu rovnou minimální teplotě pro zajištění komfortu, čímž je minimalizována potřeba tepla. Dostupná tepelná kapacita CADR tedy představuje maximální množství tepla, které může být akumulováno během daného času a které závisí na okrajových podmínkách pro tepelný komfort, na klimatických podmínkách a chování uživatelů. Významnou roli při užití akumulace stavebními konstrukcemi za účelem zvýšení energetické flexibility hraje tepelně izolační schopnost obálky budovy, kdy u budovy s velmi dobře izolovanou obálkou můžeme očekávat větší stabilitu a efektivitu. Před stanovením dostupné tepelně akumulační kapacity by tedy měl předcházet takový návrh budovy a technických systémů, který zajistí co nejnižší spotřebu energie před tím, než se začne uvažovat s energetickou flexibilitou ve vztahu k okolní síti. Vždy bude platit pravidlo, že „nejlevnější“ je ta energie, kterou budova pro svůj provoz vůbec nepotřebuje.
Je jasné, že využívání tepelně akumulační kapacity stavebních konstrukcí způsobuje nárůst teploty v budově a tím zvýšení tepelných ztrát prostupem i větráním. Jenom určitá část akumulovaného tepla může být efektivně využita pro udržování tepelného komfortu a snížení tepelného výkonu v době, která následuje po ADR. Účinnost akumulace ηADR je v tomto kontextu definována jako podíl tepla akumulovaného během ADR, který může být následně využit pro snížení tepelného výkonu potřebného pro udržování tepelného komfortu. Účinnost akumulace lze tedy vyjádřit následujícím vztahem:
(2)
kde je
- ηADR
- účinnost akumulace
- QADR
- výkon tepelné soustavy při ADR ve W
- QRef
- výkon tepelné soustavy při běžném profilu užívání ve W
- lADR
- doba trvání ADR v s
Integrál ve jmenovateli odpovídá teplu akumulovanému v době akumulace nebo dostupné tepelné kapacitě. Část tohoto tepla tedy může být využita po ukončení ADR. Ztráty při akumulaci vyvolané tepelnou aktivací stavebních konstrukcí (čitatel v rovnici 2) pak odpovídají části tepla akumulovaného během ADR, které není využito v navazující časové periodě.
Zatímco CADR a ηADR můžeme využít pro charakterizaci vlastností budovy ve fázi návrhu, schopnost změny výkonu (PSC – power shifting capability) je mírou okamžité energetické flexibility. PSC představuje vztah mezi změnou výkonu vytápění (Qδ) a dobou trvání (tδ), po kterou může být tento posun udržován, při uvažování budoucích okrajových podmínek za situace, že nebude ohrožen tepelný komfort. Změna výkonu je definována jako rozdíl mezi tepelným výkonem během ADR a referenčním výkonem během standardního profilu užívání.
kde je
- Qδ
- změna výkonu ve W
- QADR
- výkon tepelné soustavy při ADR ve W
- QRef
- výkon tepelné soustavy při běžném profilu užívání ve W
Doba trvání (tδ) je pak vypočítána jako čas, dokud nejsou dosaženy hranice tepelné pohody, tedy buď Tmax nebo Tmin. PSC při změně teplot směrem nahoru nebo dolů odpovídá zvýšení nebo snížení výkonu vytápění oproti běžné situaci.
Obr. 1 Průběh výkonu vytápění a vlivu na vnitřní teplotu (autor podle Reynders et al., 2017)
Tepelně aktivované konstrukce mohou do značné míry díky jejich tepelné setrvačnosti ovlivnit energetickou flexibilitu budovy hodnocenou např. pomocí výše uvedené metodiky. V současné době se můžeme na stavbách v ČR setkat s podlahovým vytápěním s tepelnou akumulací ovlivněnou zejména materiálem a tloušťkou roznášecí vrstvy podlahy nebo s tepelně aktivovanými stropními žželezobetonovými stropními deskami, kdy je topné/chladicí potrubí ukládáno do vlastní desky před betonáží. Výhodou je oproti podlahovému vytápění možnost i využití v letním období pro chlazení interiérů budov, čímž se významně zvyšuje celoroční energetická flexibilita. Nevýhodou je ale menší regulovatelnost.
Pro tepelně aktivované stěnové konstrukce se pak nabízí varianta stěnového vytápění/chlazení pomocí smyček nebo instalace kapilárních rohoží na povrch stěny a její zaomítání či obložení vhodným co nejvíce tepelně vodivým plošným materiálem. Tepelná akumulace tak probíhá ve formě citelného tepla např. do cihelného nosného zdiva, jak je patrné z obr. 2. Pro změny staveb či lehké konstrukce v dřevostavbách nebo v podkrovních prostorách je pak možné uvažovat s instalací tepelně akumulačních panelů rovněž tvořených kapilárními rohožemi umístěnými v sádrové omítce s rozptýlenými mikrokapslemi s obsahem materiálů se změnou skupenství pro akumulaci latentního tepla. Tím se výrazně zvyšuje tepelně akumulační schopnost obalových konstrukcí v místnosti při zajištění požadované míry tepelného komfortu. Příklad aplikace tepelně akumulačních panelů s okruhem topné/chladicí vody napojené na tepelné čerpadlo vzduch–voda je uveden na obr. 3.
Obr. 2 Kapilární rohože na cihelné stěně
Obr. 3 Instalace tepelně akumulačních panelů
Závěr
Koncept energeticky flexibilních budov reaguje na současné výzvy týkající se zvyšování objemu využívání konverze energie z obnovitelných zdrojů a s tím související problematiku stabilizace energetických sítí. Energeticky flexibilní budovy tedy mohu využívat zejména tepelně akumulačních vlastností stavebních konstrukcí nebo akumulačních vlastností technických systémů budovy. Pro posuzování energetické flexibility budov je v současné době k dispozici celá řada přístupů a metodik, z nichž je výše pro ilustraci uvedena pouze jedna vybraná. Popis dalších metodik je k nalezení v dostupné v literatuře, např. Reynders et al. (2018).
Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Literatura
- Dréau J. Le, Heiselberg, P. Energy flexibility of residential buildings using short term heat storage in the thermal mass. Enery, 2016, no. 111, pp. 991–1002
- Jensen, S. Ø., Marszal-Pomianowska, A., Lollini, R., Pasut, W., Knotzer, A., Engelmann, P., Stafford, A., Reynders, G. IEA EBC Annex 67 Energy Flexible Buidnings, Energy and Buildings, 2017, no. 155, pp. 25–34
- Lopes, R. A., Chambel, A., Neves, J., Aelenei, D., Martins, J. Literature review of methodologies used to assess the energy flexibility of buildings. Energy Procedia, 2016, no. 91, pp. 1053–1058.
- Reynders, G., Diriken, J., Saelens, D. Generic characterization method for energy flexibility: Applied to structural thermal storage in residential buildings. Applied Energy, 2017, no. 198, pp. 192–202
- Reynders, G., Lopes, R. A., Marszal-Pomianowska, A., Aelenei, D., Martins, J., Saelens, D. Energy flexible buildings: An evaluation of definitions and quantification methodologies applied to thermal storage. Energy and Buildings, 2018, no. 166, pp. 372–390
Paper deals with the definition of energy flexible building, its impact on the stability of the grid with the planned increasing share of energy from renewable sources and the possibility of using the heat storage capacity of building structures. Paper further analyzes the selected methodology for evaluation of the energy flexibible building and gives an example of thermally activated building structures.