Ponieważ wzrasta liczba właścicieli, którzy chcą, by budowane przez nich obiekty miały jak najmniej negatywny, a nawet pozytywny wpływ na środowisko, przewiduje się, że inżynierowie coraz częściej będą stawali przed wyzwaniem zaprojektowania budynków zeroenergetycznych (budynek zerowej energii netto – ZNE), które nie wymagają dostarczania energii ze źródeł konwencjonalnych.
W skrócie:
→ Strategie służące osiągnięciu NZE dzielą się na pasywne i aktywne.
→ Wybór rodzajów OZE zależy od lokalnych warunków klimatycznych oraz typu budynku i charakterystyki terenu.
→ Aby projekt uzyskał zużycie energii na poziomie zerowym netto, w osiągnięcie tego celu muszą się zaangażować wszyscy: zespół projektowy, właściciel oraz zespół konstruktorów.
Inżynierowie, którzy zajmują się implementacja odnawialnych technologii w systemach energetycznych, powinni rozważyć szereg czynników. Należy pamiętać o tym, że podstawa projektu są odpowiednie obowiązujące standardy. W artykule zostaną przedstawione najlepsze praktyki stosowane przy tworzeniu budynków zeroenergetycznych.
Ze względu na to, że określenie „energia na poziomie zerowym netto” może być różnie interpretowane, czasami pojawiają się wątpliwości, czy dany obiekt kwalifikuje się jako zeroenergetyczny. Niektórzy właściciele zaciągają kredyty na zakup energii odnawialnej, aby zrównoważyć własne zużycie energii elektrycznej, inni zaś dążą do generowania wystarczającej ilości energii lokalnie, na miejscu, ze źródeł odnawialnych (OZE), tak aby pokryć swoje całkowite zużycie energii, włącznie z energią dostarczoną przez substancje palne, takie jak gaz ziemny.
Czym wobec tego jest budynek zeroenergetyczny? Chcąc odpowiedzieć na to pytanie, warto wspomnieć o działającym w Stanach Zjednoczonych Instytucie ILFI (International Living Future Institute), który przyznaje certyfikaty budynkom zużywającym energię na poziomie zerowym netto (NZE), w oparciu o własna definicje tego pojęcia.
Ponieważ certyfikacja ILFI jest obecnie główna metoda certyfikacji ZNE obowiązująca w USA, będziemy się odwoływać do niej w całym artykule. ILFI wymaga, aby 100% zapotrzebowania na energię w budynku w ujęciu rocznym netto było zapewnione przez lokalna, dostępna na miejscu energię odnawialną. W ramach tego systemu nie są dozwolone palne źródła energii. Termin „ujecie roczne netto” jest tu bardzo istotny. Oznacza, że budynek musi produkować więcej energii elektrycznej, niż zużywa w ciągu 12 miesięcy, co pozwala na podłączenie budynku do sieci elektrycznej oraz nie wymaga przechowywania baterii na terenie zakładu. Akceptowalne jest, aby budynek czasem zużywał więcej energii elektrycznej niż produkuje, pod warunkiem że na koniec wspomnianego okresu wykaże, iż wynik „netto” prezentuje dodatni przepływ energii z powrotem do sieci.
Strategie służące osiągnięciu NZE
Przed rozpoczęciem projektowania systemu energii odnawialnej trzeba wziąć pod uwagę wiele czynników. Należy zwrócić uwagę na to, że większość projektów ma ograniczoną powierzchnię dachową oraz teren powiązany z nieruchomością, co może być pewnym utrudnieniem podczas instalowania systemów energii odnawialnej. Warto też podkreślić, że systemy te mogą być jednymi z najdroższych systemów w budynku. Dlatego zespoły projektowe powinny rozpocząć proces projektowania od analizy strategii w celu zmniejszenia zapotrzebowania elektrycznego w budynku.
Obiekty ZNE zazwyczaj mają bardzo niską intensywność zużycia energii elektrycznej (EUI), która z kolei umożliwia zaprojektowanie lokalnych OZE, pozwalających skompensować intensywność wykorzystania energii.
Rysunek 1 przedstawia ogólna strategie energetyczna dla Brock Environmental Center – obiektu edukacyjno-biurowego znajdującego się w Hampton Roads w stanie Wirginia (USA), na przykładzie którego zostaną omówione strategie osiągnięcia statusu budynku zeroenergetycznego. Przed projektowaniem systemów energii odnawialnej zespół projektowy najpierw skupił się na jak największym obniżeniu zużycia energii w budynku, tak aby w kolejnym etapie łatwiej zrównoważyć to zużycie.
Ogólnie można powiedzieć, że strategie prowadzące do zmniejszenia zużycia energii dzielą się na pasywne i aktywne. Strategie pasywne obejmują optymalizacje powłoki termicznej, bryły i położenia budynku, oświetlenie dzienne, naturalna wentylacje i zewnętrzne zacienienie.
Strategie aktywne skupiają się bardziej na systemach inżynierskich w budynku i obejmują wysokoefektywne systemy mechaniczne, oświetlenie energooszczędne i systemy sterowania.
Ponieważ każda zużyta kilowatogodzina energii elektrycznej przekłada się na dodatkowy pobór energii z lokalnych OZE, zespoły projektowe powinny dołożyć wszelkich starań w celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię elektryczną budynku.
Bardzo ważnym zagadnieniem jest obciążenie sieci. Warto tu wspomnieć o „obciążeniu w trybie czuwania”, które ma miejsce wtedy, kiedy dane urządzenie w budynku zużywa energię, mimo że nie jest w użyciu. Typowym przykładem są komputery, telewizory i pozostawione w gniazdku elektrycznym ładowarki do telefonów komórkowych.
W budynkach ZNE takie dodatkowe obciążenia mogą wiązać się ze znacznymi kosztami, które zostaną przeznaczone na dodatkowe lokalne OZE, aby zrównoważyć zużycie energii przez wspomniane urządzenia. Całkowite wyłączanie urządzeń pracujących w trybie gotowości po godzinach pracy może zmniejszyć lub wyeliminować niepotrzebne straty energii.
Modelowanie przepływów energii odgrywa kluczową rolę w wyborze aktywnych i pasywnych strategii, które dają najlepsze wyniki dla projektu i powinny być realizowane wieloetapowo. Dopiero po przeanalizowaniu i uwzględnieniu wszystkich procedur i działań prowadzących do redukcji zużycia energii w obiekcie, inżynier może przystąpić do projektowania systemu energii odnawialnej.
W tym momencie procesu modelowania energii można już oszacować roczne jej zużycie w budynku. Jest to największa wartość energii (liczba kilowatogodzin), która powinna być zapewniona przez projektowane dla danego budynku lokalne OZE.
Wybór odnawialnych źródeł energii
Wybór rodzajów OZE wykorzystywanych do osiągnięcia ZNE zależy od lokalnych warunków klimatycznych, a także typu budynku i charakterystyki terenu. Niektóre technologie są bardziej dostosowane do wytwarzania dużej ilości energii, na przemysłową skalę, podczas gdy inne – do obiektów o mniejszej skali. Należy pamiętać, że zgodnie z definicja ILFI dotyczącą ZNE, substancje palne nie są dozwolone, więc niektóre odnawialne technologie, takie jak biomasa, nie są dopuszczalne. Najczęstszymi rodzajami technologii wykorzystywanymi do lokalnych OZE są ogniwa fotowoltaiczne (PV) i turbiny wiatrowe. Inne technologie, takie jak energia pływów morskich i hydroenergia, lepiej nadają się do wytwarzania energii na skalę przemysłową.
Turbiny wiatrowe wykorzystywane do zasilania budynków handlowych są uznawane za turbiny o małej skali. Są one podzielone na kategorie według położenia osi ich turbin: turbiny o poziomej osi obrotu wyglądają jak śmigła, zaś te o pionowej osi przypominają z wyglądu trzepaczkę do jajek. Każda z tych technologii ma swoje wady i zalety. Turbiny o poziomej osi są na ogół bardziej skuteczne w przekształcaniu energii wiatru na energię elektryczną. Na prędkość wiatru wpływa miejscowe ukształtowanie terenu i przeszkody, przez co stosunkowo trudno jest przewidzieć prędkość wiatru w określonym miejscu.
Ponieważ ważne jest dokładne przewidywanie wydajności energii ze źródeł odnawialnych, turbiny wiatrowe mogą być ryzykownym rozwiązaniem, chyba że istnieją dokładne dane dotyczące prędkości wiatru, specyficzne dla danego obszaru. Aby umożliwić wykorzystanie turbin w instalacjach o małej skali, Amerykańskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej (AWEA – American Wind Energy Association) zaleca zakładanie sredniej rocznej prędkości wiatru o wartości co najmniej 12 mil na godzinę (20 km/h), co może wykluczyć korzystanie z turbin w wielu miejscach. W niektórych obszarach, z uwagi na Prawo Lotnicze (tj. ewentualne kolizje samolotów), występują również ograniczenia natury regulacyjnej. Turbiny wiatrowe generują prąd przemienny (AC), którego częstotliwość i napięcie ulegają wahaniom wraz ze zmianami prędkości turbin. Aby przekształcić użytkową energię dla budynku, zmienny prąd przemienny jest przekształcany w prąd stały, a następnie z powrotem w stabilny prąd zmienny.
Powszechnie stosowane w zasilaniu budynków ZNE są słoneczne moduły fotowoltaiczne. Dzięki szerokiemu wachlarzowi dostępnych modułów można stworzyć optymalny system fotowoltaiczny.
Co istotne, bazując na danych dotyczących nasłonecznienia dla obszaru, w którym znajduje się obiekt, łatwiej można przewidzieć wydajność systemu PV niż tego, który wykorzystuje turbiny wiatrowe. Podczas gdy prędkość wiatru może się znacznie różnic w zależności od miejsca, nasłonecznienie jest dużo bardziej stabilnym parametrem. Moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały, a ponieważ większość budynków jest zasilana prądem zmiennym (szczególnie jeśli są podłączone do sieci), prąd stały z modułów musi być przekształcony na prąd zmienny za pośrednictwem falowników (zwanych też inwerterami).
W przypadku obu wspomnianych technologii ważne jest, aby wziąć pod uwagę efektywność ogólną systemu podczas obliczania przewidywanej wydajności wyjściowej technologii odnawialnych. Jak już zostało powiedziane, certyfikacja ZNE wymaga tylko jednego, trwającego rok pomiaru, jeśli jednak właściciel chce pozostać na poziomie zerowym netto przez cały okres użytkowania budynku, przy projektowaniu systemu OZE powinno się wziać pod uwagę postępujący z upływem czasu spadek jego wydajności.
ZNE w akcji
Sposoby wcielania w życie idei zrównoważonego budownictwa zostaną omówione na przykładzie wspomnianego już budynku Brock Environmental Center, który pretenduje do miana budynku zeroenergetycznego. Budynek został ukończony na początku 2015 r. i jest obecnie w okresie monitorowania, w celu osiągnięcia certyfikacji dla zużycia energii, wody i ścieków na poziomie zerowym netto. Zespół projektowy złożony z architektów i inżynierów ściśle współpracował w czasie całego procesu projektowania tego obiektu, tak aby projekt zapewniał minimalizacje zużycia energii, przy pełnej integracji wszystkich podsystemów infrastruktury budynkowej.
W obiekcie tym zrealizowano pomyślnie szereg strategii pasywnych już na wczesnym etapie procesu projektowania.
Wyniki modelowania przepływów energii dotyczące badania położenia budynku były rozpatrywane przez zespół inżynierów, dzięki czemu zastosowanie biernej strategii efektywności energetycznej pozwoliło zredukować zużycie energii przez obiekt.
Strategia dotycząca naturalnej wentylacji dla Brock Environmental Center, gdzie wykorzystano dwukierunkową zmienność wiatru, jest ukazana na rys. 2. Ze względu na położenie budynku przy zatoce został on zaprojektowany w taki sposób, aby wykorzystać naturalna bryzę. Co ciekawe, w celu zapewnienia swobodnego przepływu powietrza można otworzyć nie tylko okna, ale również ściany.
Z kolei rys. 3 przedstawia, jak budynek został zaprojektowany, aby zmaksymalizować rozproszone oświetlenie dzienne z północy i osłonić wnętrze budynku przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych od południa. We wszystkich tych przypadkach wykorzystano zaawansowane modelowanie komputerowe do optymalizacji rozwiązania. Nawet konstrukcje dachu i ścian były modelowane, aby osiągnąć optymalną wartość R.
W budynku zastosowano także wieloetapowy proces projektowania do określenia najbardziej energooszczędnych aktywnych systemów do realizacji projektu. W układach mechanicznych wykorzystuje się system zmiennego przepływu czynnika chłodniczego
(VRF) ze studni geotermalnych. Doskonale nadaje się on do naturalnej wentylacji, ponieważ pozwala użytkownikom pracować w niektórych pomieszczeniach w trybie naturalnej wentylacji, podczas gdy inne pomieszczenia mogą znajdować się w trybie klimatyzacji mechanicznej. Oświetlenie elektryczne zostało tak pomyślane, aby zapewnić pożądane, ale nie nazbyt silne natężenie światła. Ponadto w prawie każdym miejscu zastosowano systemy ściemniania wyposażone w fotodetektory, aby zmniejszyć natężenie oświetlenia elektrycznego, gdy wystarczające jest światło dzienne.
Optymalizacja światła dziennego, w połączeniu z elektrycznymi czujnikami oświetlenia powoduje, że oświetlenie elektryczne jest zwykle niewykorzystywane w godzinach dziennych (rys. 4).
Po zoptymalizowaniu strategii pasywnych i aktywnych inżynierowie pracowali nad zaprojektowaniem systemu lokalnych OZE, aby zrównoważyć przewidywane roczne zużycie energii elektrycznej budynku. Dla miejsca, gdzie zlokalizowano budynek, roczna prędkość wiatru (12 mil na godzinę) była wystarczająco wysoka, aby wykorzystać technologię turbin wiatrowych. Położenie na wybrzeżu oznaczało także zmniejszenie zmniejszenie liczby czynników mogących spowolnić prędkość wiatru. Fotowoltaika solarna była również w centrum zainteresowania zespołu projektowego, ze względu na większą przewidywalność nasłonecznienia na tym obszarze w porównaniu do prędkości wiatru.
Ostatecznie zespół projektowy przyjął strategię dotycząca lokalnego wytwarzania energii, oparta na turbinach wiatrowych dla jednej trzeciej generacji energii elektrycznej i modułach fotowoltaicznych dla dwóch trzecich generacji. System zasilania wiatrowego składa się z dwóch turbin o mocy 10 kW, umiejscowionych przy wschodnich i zachodnich krańcach budynku, możliwie najdalej od pobliskich drzew.
Z kolei system fotowoltaiczny zaprojektowany dla budynku tworzy 141 modułów 270-watowych o łącznej mocy 40 kWp (p oznacza moc szczytową). W celu określenia obszarów dachu o najwyższej wartości nasłonecznienia przeprowadzono modelowanie nasłonecznienia. System fotowoltaiczny został umiejscowiony na dachu spadzistym, zachowując dodatkową przestrzeń na kolejne moduły, które mogą zostać dodane w przyszłości. Wkrótce po zakończeniu budowy zespół projektowy zdecydował się na zainstalowanie dodatkowych modułów fotowoltaicznych o mocy 6,5 kW, co było proste w realizacji ze względu na wczesne zaplanowanie zarówno systemu dachowego, jak i instalacji elektrycznej.
Turbiny wiatrowe i moduły fotowoltaiczne zostały podłączone do głównej stacji rozdzielczej budynku.
Aby wspomóc rozwiązywanie wszelkich kwestii związanych ze zużyciem energii w okresie użytkowania, zaprojektowano rozbudowany system pomiarowy. System automatyki budynku (BAS – Building Automation System) kontroluje poszczególne części mechanicznego i hydraulicznego oprzyrządowania, podczas gdy liczniki elektryczne śledzą zużycie energii elektrycznej i obciążenie sieciowe w budynku. Wszystkie te dane są raportowane do BAS, który następnie generuje codzienne sprawozdania dotyczące zarówno zużycia, jak i produkcji energii w budynku. Elektryczny schemat przedstawiający system OZE podłączonych do instalacjielektrycznej budynku, jak również punkty pomiarowe w instalacji elektrycznej, został zaprezentowany na rys. 7.
Na drodze do poziomu zerowego netto
Jak już wspominano, Brock Environmental Center jest obecnie jeszcze w trakcie ubiegania się o certyfikat zużywania energii na poziomie zerowym netto (w kwietniu 2015 r. rozpoczęto monitorowanie budynku). Pod koniec października 2015 r. budynek wyprodukował o 95,7% więcej energii elektrycznej, niż zużył. Przez pierwszych kilka miesięcy pomiaru turbiny wiatrowe wyprodukowały mniej energii niż prognozowano, ale wydaje się, że rzeczywista prędkość wiatru na początku okresu monitorowania była niższa od historycznych danych wykorzystywanych przez zespół projektowy.
Jednak ze względu na silniejsze wiatry w ostatnich miesiącach turbiny wyprodukowały o 5,4% więcej energii, niż początkowo przewidywano. Modelowanie energii wykorzystywane do prognozowania zużycia energii w budynku okazało się bardzo dokładne. Do tej pory rzeczywiste zużycie energii elektrycznej budynku nie przekroczyło 2,7% przewidywanego zużycia, co świadczy o precyzyjnym modelu energetycznym.
Warto jednak dodać, że wykorzystanie podliczników poszczególnych systemów wykazało pewne różnice pomiędzy wartościami rzeczywistymi a prognozowanymi (np. oświetlenie pochłonęło dużo mniej energii niż przewidywano, natomiast niektóre wentylatory mechaniczne zużyły jej więcej).
Korzyścią z implementacji tak szczegółowego systemu pomiarowego jest również to, że zespół projektowy aktywnie pracuje z właścicielem, żeby zrozumieć, dlaczego niektóre sprzęty przekraczają oczekiwane zużycie energii. Aby projekt uzyskał zużycie energii na poziomie zerowym netto, wszyscy członkowie zespołu muszą się aktywnie zaangażować w osiągnięcie tego celu – zarówno zespół projektowy oraz właściciel, jak i zespół konstruktorów. Warto o tym pamiętać.
O autorze: Sara Lappano jest inżynierem elektrykiem i dyrektorem w studiu szkoleniowym w grupie SmithGroupJJR. Priorytetemtej grupy jest zrównoważony rozwój, którego zasady wykorzystuje we wszystkich projektach, w które jest zaangażowana – począwszy od projektu oświetlenia o wysokiej wydajności, po projekty systemów energii odnawialnych.
Autor: Sara Lappano