Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Český solární dům AIR House na soutěži U.S. Solar Decathlon 2013 – 2. část

Technické zařízení v budově

17.3.2014

Ing. Antonín Lupíšek, Ing. Pavel Nechanický, Ing. Kateřina Sojková, Ing. Ondřej Surý, Ing. Martin Volf, Ing. Michal Marek, prof. Ing. Jan Tywoniak, CSc., ČVUT v Praze

Recenzovaný

Mezi 3. a 13. říjnem 2013 se v Kalifornském Orange County Great Park u města Irvine konal již šestý ročník prestižní mezinárodní soutěž univerzit U.S. Solar Decathlon 2013. Loni se zúčastnil i Team Czech Republic z ČVUT v Praze, který obsadil celkové třetí místo. Druhý díl článku podrobně popisuje technické zařízení domu s názvem AIR House.

Technické zařízení

AIR House je z principu soutěže energeticky pozitivní budovou (v kalifornských podmínkách). Důraz na snížení potřeby energie a zvýšení podílu lokálních obnovitelných zdrojů energie (elektřina, teplo, chlad), vyžadoval integrovaný přístup nejen ke skladbě zdrojů energie, ale také k distribuci a využití energie v domě.

Potřeba vytápění a chlazení byla efektivně minimalizována již architektonickým a stavebním řešením domu a úpravami jeho okolí (orientace vůči světovým stranám, instalace stínicích systémů, apod.), ale i přesto tu zůstala nutnost využití zdrojů tepla a chladu. Zdroj tepla v domě by měl být používán k účelům vytápění, přípravy teplé vody a ohřevu větracího vzduchu, zdroj chladu naopak k letnímu chlazení. Při návrhu se preferovalo využití zdrojů tepla a chladu minimalizující potřebu primární energie, tj. obnovitelných zdrojů energie.

Při zohlednění všech výše zmíněných skutečností bylo jako hlavní zdrojem tepla a chladu navrženo tepelné čerpadlo. Nízkoteplotní tepelné čerpadlo vzduch-voda odebírající nízkopotenciální energii z okolního vzduchu disponuje reverzním cyklem (topení/chlazení) a invertorem řízeným výkonem. Chlad je distribuován do sálavých stropních panelů či do teplovzdušné větrací jednotky přes akumulační nádrž omezující spínání tepelného čerpadla.

Obr. 9: Schéma technické soustavy domu AIR House

Teplo je taktéž distribuováno do sálavých stropních panelů, které umožňují chlazení i vytápění, či do teplovzdušné větrací jednotky, ale přes integrovaný zásobník tepla osazený solárním výměníkem a průtokovou přípravou teplé vody s vysokou kapacitou ohřevu (rozdíl mezi teplotou v zásobníku a teplotou vytékající TV je 2 až 5 K).

Úpravu vnitřního prostředí pro uspokojení základních požadavků osob jako je tepelná pohoda a kvalitní vzduch zajišťovala klimatizační soustava, která obsahuje větrání (přívod čerstvého vzduchu a odvod škodlivin), vytápění, chlazení a úpravu vlhkosti vzduchu (odvlhčování). Podle látky, kterou se přivádí teplo nebo chlad do prostoru, byla klimatizační soustava rozdělena na vodní a vzduchový systém.

Čtěte také první díl článku AIR House: architektura, konstrukční řešení, energetická koncepce

Vodní systém

Primárním systémem nízkoteplotního vytápění a vysokoteplotního chlazení domu je sálavý stropní systém skládající se ze stropních sálavých panelů. Sálavé stropní panely jsou sádrokartonové desky se zafrézovanými drážkami a vloženými plastovými trubkami jako dvojitý meandr. Zásadní je tepelná stabilita vnitřního prostředí a jeho individuální regulace. Z pohledu tepelného komfortu je výhodou nízké proudění vzduchu v místnosti, při kterém se minimalizuje víření prachu a mikroorganismů. Teplota v místnosti je oproti konvekčnímu systému vytápění rovnoměrnější, to umožňuje její snížení o 1 až 3 K, aniž by se narušila tepelná pohoda člověka. Díky tomuto efektu je možné uspořit značné množství energie.

Vzduchový systém

Kvalita vnitřního vzduchu v domě je zajištěna teplovzdušnou větrací jednotkou. Teplovzdušná větrací jednotka zajišťuje rovnotlaké větrání s rekuperací tepla a účinností až 93 %. Díky unikátnímu systému cirkulace vnitřního vzduchu v objektu je možné zajistit dohřev po rekuperaci, chlazení nebo teplovzdušné vytápění. Přívod venkovního čerstvého vzduchu je řízen v závislosti na změně CO₂ a VOC (Volatile Organic Compounds) v místnosti. Cirkulačním vzduchem jsou upravovány tepelně-vlhkostní parametry v místnosti při nedostatečném výkonu sálavých stropních panelů nebo při náběhu otopného/chladicího systému. O snížení vlhkosti v místnosti se dále stará centrální odvlhčovací jednotka osazená ve vzduchovém systému.

Materiály použité pro vzduchovody jsou zvoleny takové, které neuvolňují odérové ani těkavé organické látky do přiváděného vzduchu. Vzduchovody jsou tvořeny ohebnými hliníkovými hadicemi s mikroperforací a plastovým stavebnicovým systémem. Jsou opatřeny tepelnou a hlukovou izolací omezující tepelné ztráty a orosování vzduchotechnických rozvodů. Přívodními distribučními elementy jsou jednořadé štěrbinové výustě zaručující rovnoměrný přívod vzduchu do místnosti s vysokou indukcí, kterou se dosahuje rychlého vyrovnání teplotní diference přiváděného vzduchu až ±10 K.

Solární termický systém skládající se ze dvou solárních kolektorů je určen k přípravě teplé vody a přitápění v domě. Ploché lyrové solární termické kolektory s účinným selektivním absorbérem jsou umístěny na nadstřešní stínicí konstrukci domu (canopy) s jižní orientací a sklonem 25°. Tepelná energie získána ze solárních kolektorů je distribuována do integrovaného zásobníku tepla předizolovaným ohebným potrubím. Solární systém byl navržen, tak aby umožnil 100% pokrytí potřeby tepla na přípravu teplé vody během soutěže.

Fotovoltaický systém

Pro potřeby soutěže Solar Decathlon bylo třeba navrhnout takový fotovoltaický systém (FVS), který by dodával elektrickou energii přímo do elektrické sítě organizátorů soutěže v solární vesničce bez možnosti její akumulace. Takovým požadavkům zcela vyhovuje 60Hz FVS typu GRID ON (dále FVS AIR House). Dům má pro vlastní spotřebu navrženou běžnou 50Hz přípojku. V domě je provedena instalace 230 V, 50 Hz dle českých norem pro světelné a zásuvkové okruhy s přípojkou 3×400 V pro indukční desku.

FVS celkovým výkonem 6,105 kWp je složen ze 33 monokrystalických panelů s účinností 14,5 %. Na střeše jsou vytvořena tři panelová pole po jedenácti panelech s jižní orientací a sklonem 10° zapojených do série. Panelová pole jsou paralelně spojena v rozvaděči RDC umístěném v technologické části domu, kde jsou panely jištěny proti nadproudům a atmosférickému přepětí. Stejnosměrné napětí je transformováno na střídavé napětí (60Hz) pomocí střídače SMA Sunnyboy 5000-US. Dodavatelem FVS je firma SunnyWatt, která pomohla systém v ČR navrhnout a sestavit v ČR včetně zaškolení montáže a obsluhy.

V Kalifornii FVS obstál. Celková bilance elektrické energie během 8 dní byla výroba 212 kWh a spotřeba 157 kWh. Denním maximem byl zisk 34,8 kWh a minimem při celodenním dešti 5,2 kWh.

Měření a regulace

Pro řízení a monitorování všech technologií domu byl navržen nadstavbový volně programovatelný řídicí systém firmy Sauter Modulo5 v čele s automatizační stanicí AS525. Pro jeho nasazení rozhodl fakt, že předchozí autonomní regulace jednotlivých dodavatelů TZB mezi sebou nedokázaly během stavby komunikovat a netvořily tak jednotný celek schopný zvládnout náročnou regulaci parametrů vnitřního prostředí v mezích 22–24 ˚C a 0–60 % relativní vlhkosti vzduchu. Firma Sauter, která se na automatizaci budov specializuje, poskytla vedle samotného řídicího systému pomoc při montážích periferií a kabeláže, přípravu komunikace na protokolech Modbus RTU, DALI a KNX nebo školení v programovém prostředí.

Cílem řídicího systému je zabezpečit požadované vnitřní klima (teplotu a relativní vlhkost, výměnu čerstvého vzduchu) a bezpečný, bezobslužný provoz TZB s minimálními nároky na údržbu. Zároveň automatizačním systémem řízení (ASŘ) snižuje spotřebu energií tím, že optimalizuje provoz domu na základě měřených dat. Řídicí systém zajišťuje řízení a ovládání následujícího TZB:

rekuperační jednotky Atrea
elektromotorického okna Schűco
tepelného čerpadla Daikin
vytápění a chlazení pomocí sálavých panelů Rehau
ohřev vody pomocí solárních kolektorů Regulus
obsluhy vodního hospodářství Wilo

Systém komunikuje s ASŘ meteostanice a rovněž provádí tato podružná měření elektrické energie:

celková spotřeba domu
výroba elektrické energie FVS
spotřeba světelných okruhů
spotřeba TZB včetně MaR systému
spotřeba rekuperační jednotky
spotřeba tepelného čerpadla
spotřeba solárního systému

Integrace autonomních regulací TZB pod nadřazený ASŘ byla nejnáročnější u tepelného čerpadla a rekuperační jednotky. Z ASŘ je řízen chod tepelného čerpadla a přepínání režimu topení/chlazení binárními výstupy.

Výkon tepelného čerpadla lze řídit ve čtyřech stupních. Chod a sumární porucha jsou monitorovány digitálními vstupy. Tepelné čerpadlo lze v případě potřeby servisního zásahu přepnout zpět do automatiky tepelného čerpadla nebo čistě manuálního režimu. Naproti tomu rekuperační jednotka musela být dodána zcela bez autonomní regulace, jelikož její automatika nebyla uzpůsobena pro řízení nadřazeným systémem. Řídicí signály pro ventilátory a servopohony klapek byly připojeny přímo na svorky. Ostatní zařízení jako oběhová čerpadla, topná patrona v zásobníku, čerpadla solárního systému a vodního hospodářství jsou ovládány standardně stykači přes ovládací obvody ASŘ.

Specifikem pro USA bylo osazení čidla teploty a odtahového ventilátoru za vestavnou lednici s mrazákem pro odvádění nežádoucího produkovaného tepla. S chodem kuchyňské digestoře byl spřažen chod ventilátoru přivádějící čerstvý vzduch štěrbinou k varné desce, čímž se zamezovalo plýtvání energie na úpravu vzduchu, který odváděl vlhkost z varné zóny.

Systém MaR je vybaven nadstandardně čidly vlhkosti, CO₂ a VOC pro řízení kvality vzduchu, podle kterých se řídí intenzita větrání čerstvým vzduchem oknem nebo rekuperační jednotkou dle potřeby a klimatických podmínek.

Na základě předpovědi počasí z meteoserveru integrovaného v automatizační řídicí stanici a dat z meteostanice a velkého počtu osazených čidel vybírá ASŘ vhodný zdroj a způsob distribuce tepla a chladu. Umožňuje také predikovat potřebné regulační zásahy, které šetří energii při vytápění a klimatizaci obytného prostoru v průběhu celého roku.

Monitoring TZB řídicím systémem zaznamenává všechny poruchové stavy do alarmového deníku. Ten je společně se záznamem vybraných historických dat důležitý jak pro vyladění regulace domu první rok provozu, tak pro případný servis odbornou firmou při výskytu závažného problému. V případě zájmu uživatele domu může servisní firma řídicího systému Sauter vzdáleným přístupem (přes GPRS modem) odstranit lehčí závadu on-line nebo na základě těchto dat poskytnout pomoc při diagnostice a koordinaci odstraňování technických potíží TZB.

Pokud si nějaká část TZB vyžádá uživatelský zásah (např. nastavení teploty interiéru nebo správu alarmového hlášení), uživatel má přehled v jednotném ovládacím rozhraní na bázi webserveru, zobrazujícím přehledně všechny důležité parametry vnitřního prostřední a důležitých zařízení. Devizou vizualizace domu webserverem je přístupnost z počítače, tabletu, chytrého telefonu nebo Smart TV přes webový prohlížeč bez potřeby vývoje složitých aplikací pro různé hardwarové platformy.

Chytrá elektroinstalace

Pro potřeby nastavení a ovládání světelných scén osvětlení od firmy Zumtobel je v domě silová elektroinstalace kombinována s komunikačními sběrnicemi KNX a DALI. Na sběrnici KNX jsou dále osazeny senzory pohybu a čidla intenzity osvětlení interiéru a exteriéru, které šetří elektrickou energii. Senzory a čidla rozsvěcují světla automaticky při přítomnosti osob za soumraku dle zvoleného režimu nebo například tlumeně osvítí cestu na toaletu při nočním probuzení. Světlům jsou také naprogramovány světelné scény pro různé využití dle libosti uživatelů, které lze vyvolat multifunkčním tlačítkem nebo mobilním zařízením. Vybrané zásuvkové okruhy jsou odpínány v době nepřítomnosti uživatelů domu buď pomocí centrálního STOP tlačítka při odchodu, nebo z vizualizace domu, čímž se zajistí bezpečnost u spotřebičů jako je varná deska nebo pečící trouba, a také ochrana proti černému odběru u venkovních zásuvek na terase.

Hodnocení SBToolCZ

Vzhledem k povaze projektu a velkému množství různých technologií a způsobů návrhu, bylo na začátku celého projektu stanoveno několik podmínek, které by měl prototyp splňovat: samozřejmě mělo jít o energeticky úsporný dům s nulovou bilancí energie, ale také s co nejnižší uhlíkovou stopou, jako příklad šetrné architektury. Na základě prvních analýz hlavních environmentálních parametrů, které v prvním kroku dosahovaly nízkého hodnocení, bylo provedeno detailní hodnocení životního cyklu s multikriteriální optimalizací použitých materiálů a z toho vyvozeny odpovídající změny pro projekt.

Pro cvičné hodnocení objektu byla zvolena metodika SBToolCZ ve verzi upravené pro hodnocení rodinných domů. Metodika hodnotí objekty v celkem třech oblastech, environmentálních, sociálních, ekonomických kritériích a zvlášť pak stojí ještě hodnocení lokality. Během návrhu AIR House studenti pracovali se sadou pravidel a požadavků, které pomáhaly zlepšit návrh domu a získat tak lepší výsledné hodnocení. Tyto požadavky zahrnovaly nároky na použité materiály, zdroje energie, způsob nakládání s pitnou vodou až k požadavkům na osazení sběrných nádob pro tříděný odpad.

V samotném hodnocení si AIR House vedl dobře, především v environmentálních kritériích by jeho skóre bylo výborné a to hlavně díky nízké spotřebě primární energie, nízkému potenciálu globálního oteplování nebo potenciálu eutrofizace prostředí. Samozřejmě, i soběstačnost domu se příznivě odráží v hodnocení výroby obnovitelné energie. Dům ale v této oblasti doplácí na malé množství výrobků na trhu s tzv. EPD (environmentální prohlášení o produktu), které nebyly použity, a dům je tak nejvíce penalizován v této skupině v kritériu Použití certifikovaných stavebních výrobků.

Obr. 10: Shrnutí předpokládaných ročních emisí AIR House s přehledem jejich zdrojů

Ve skupině ekonomických kritérií projekt profituje z velmi podrobné prováděcí i provozní dokumentace domu díky podmínkám soutěže Solar Decathlon.

Sociální kritéria shrnují vliv prostředí domu na jeho obyvatele. Zde snížila výsledné skóre především unikátnost domu, v případě standardního, neprototypového domu by bylo vhodné vyřešit lépe například zabezpečení objektu. Ostatní parametry domu byly vynikající, zejména vizuální komfort či tepelná pohoda v objektu.

Zpracováním samotného hodnocení bylo objektivně ověřeno správné směřování návrhu a zároveň byla označena slabá místa projektu, na kterých se následně dále pracovalo. Návrh AIR House by stavbu zařadil mezi projekty se stříbrným certifikátem, tedy mezi domy s velmi dobrou kvalitou návrhu, navíc ještě s jistou možností zlepšení v případě sériového projektu. Hodnocení bylo pilotním pro nejnovější verzi metodiky SBToolCZ pro rodinné domy a poskytlo zpětnou vazbou i jejím autorům.

Závěr

Neúnavná dvouletá práce studentů na přípravě projektu přinesla své ovoce v podobě celkového třetího místa v soutěži. Studenti si během celého procesu vyzkoušeli práci v mezioborovém týmu a ocenili i cenné rady řady odborníků, kteří byli týmu nápomocni. Úspěch v mezinárodní konkurenci prestižních univerzit potvrzuje tradiční vysokou kvalitu technického vzdělání na českých vysokých školách.

Poděkování

Autoři článku jménem celého týmu děkují sponzorům a partnerům projektu i individuálním podporovatelům.

Tento text vzniknul za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov; a grantové agentury ČVUT v Praze, projektu č. SGS12/106/OHK1/2T/11.

Odkazy a další informace

Reference

[1] U.S. Department of Energy Solar Decathlon 2013 Rules. U.S. Dept. of Energy. 2012.
[2] KOPECKÝ, P. Podklady pro výuku předmětu Matematické modelování ve stavební fyzice, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Fakulta stavební, ČVUT v Praze
[3] Klimatická data Praha-Karlov 2010. ČHMÚ.
[4] Průměrná klimatická data pro Prahu, průměrná teplota pro roky 1996–2005, sluneční záření pro roky 1981–2000. Meteonorm.
[5] Klimatická data pro Los Angeles. IES–VE.
[6] STANĚK, K. 3D model pro výpočet hodinových korekčních činitelů stínění vyvinutý v prostředí Matlab, využívající moduly Google SketchUp, verze únor 2013.
[7] VONKA, M. Český nástroj pro certifikaci kvality budov SBToolCZ a první certifikovaná budova X-LOFT. TZB-info, 2011, http://stavba.tzb-info.cz/nizkoenergeticke-stavby/7167-cesky-nastroj-pro-certifikaci-kvality-budov-sbtoolcz-a-prvni-certifikovana-budova-x-loft

English Synopsis

Czech solar AIR House at U.S. Solar Decathlon 2013

In October 2013 in Orange County Great Park in city of Irvine, California, took place the sixth edition of the prestigious international competition of universities U.S. Solar Decathlon 2013. This round took part also Team Czech Republic from the Czech Technical University in Prague, which finished at overall third place. The article describes in detail building services used in the AIR House.