Vývoj fasádního modulu s energetickými systémy

Úvod

Snižování energetické náročnosti budov vyžaduje nová a alternativní řešení  pro zajištění udržitelnosti v tomto sektoru. Jedním z alternativních směrů, kterým se současný vývoj ubírá, je obálka budov s adaptivními tepelně-technickými vlastnostmi. Cílem  snah  jsou modulární fasádní systémy, které umožňují aktivně reagovat na vnější i vnitřní podmínky a tím dosáhnout jak vyšší energetické efektivity, tak vysoké úrovně tepelného komfortu uvnitř budovy. Pro dosažení adaptivního chování obálky budov bylo již zkoumáno několik různých koncepcí  na základě mechanických, elektrických, tepelných nebo chemických principů, avšak téměř žádná z těchto koncepcí nedosáhla potřebné úrovně vývoje pro širší uplatnění v praxi [1].

Ačkoliv teoreticky koncept adaptivní obálky budov, která by byla schopna se přizpůsobit okolním vlivům, nabízí nespočet výhod, implementace  těchto  systémů je stále problematická. Hlavním problémem je ekonomická konkurenceschopnost  s běžnými fasádními systémy.  Pro dosažení potřebného stupně vývoje a zajištění konkurenceschopnosti nového konceptu výzkumný tým ČVUT v Praze úzce spolupracuje s průmyslovým partnerem WIEDEN s.r.o.

Základní předpoklady  pro autonomní provoz modulu obsluhující typizovaný kancelářský prostor byly  stanoveny na základě energetické simulace. Na základě numerického modelu celého systému byla zkoumána energetická soběstačnost fasádního modulu.

V současné chvíli jsou vyvinuty tři části fasádního modulu chráněné užitným vzorem [2]. První neprůsvitná část modulu je vybavena fotovoltaickými panely a bateriovým úložištěm. Druhá transparentní část se skládá z izolačního trojskla a automaticky řízeného vnějšího stínění. Třetí část  je opět neprůsvitná  a obsahuje  integrovanou klimatizační termoelektrickou jednotku. Všechny části jsou sestaveny do společného  modulu lehkého  obvodového  pláště,  který bude v rámci výzkumu testován v reálných podmínkách.

První část  modulu je zachycena  včetně  řezu na obr. 3. Skládá se z vnějšího fotovoltaického obkladu s provětrávanou vzduchovou mezerou. Fotovoltaický obklad je uchycen ke standardnímu tepelně izolovanému panelu LOP.  Na vnitřní části rámu je vytvořen prostor pro uchycení bateriového úložiště tvořeného plochými elektrickými akumulačními články a řídicí jednotky pro jeho nabíjení a vybíjení, vybavené dále regulátorem vnitřního prostředí (ovládání stínění, osvětlení, teploty). Všechny tyto prvky jsou přístupné z interiéru. Pro integraci do fasádního modulu LOP bylo na základě rešerše výrobků zvoleno osm panelů polykrystalické technologie o účinnosti na úrovni 17,0 % a špičkovém  výkonu 115 Wp. Pro daný fasádní modul bylo navrženo ploché bateriové úložiště ze dvou sekcí po osmi článcích. Pro bateriové úložiště byly vybrány články technologie LiFePO₄, každý o jmenovitém napětí 3,2 V a kapacitě 60 Ah. Celé bateriové úložiště má jmenovité napětí 25,6 V a kapacitu cca 3,1 kWh.

V druhé části modulu je osazeno tepelněizolační trojsklo pro zajištění přirozeného osvětlení vnitřního prostředí. V nadpraží z venkovní strany LOP je umístěn aktivní stínicí prvek (vnější žaluzie), který je z venkovní strany zakryt fotovoltaickým obkladem. V nadpraží z vnitřní strany LOP je umístěn osvětlovací prvek (LED pásek). Zjednodušená podoba a řez transparentní částí modulu LOP  jsou na obr. 4. Vnější žaluziový systém je řízen na základě vnitřních a venkovních podmínek regulátorem uloženým v první části modulu. Polohu žaluzií je možné nastavit také manuálně na základě požadavku uživatelů přilehlého kancelářského prostoru.

Ve třetí části modulu (viz obr. 5) je integrována termoelektrická klimatizační jednotka. Jednotka se skládá ze dvou protilehlých vzduchotechnických kanálů. V dělicí rovině přilehlých kanálů jsou umístěny vysokokapacitní Peltierovy (nebo také termoelektrické) články, jež ohřívají nebo chladí vzduch při použití žebrovaných výměníků umístěných z obou stran článků a zasahujících do prostoru vzduchotechnických kanálů. Ukázka uložení termoelektrických článků na dělicím plechu je znázorněna na obr. 5.

Jedním kanálem proudí cirkulační vzduch z vnitřního prostředí, který je tepelně upraven a vstupuje zpět do prostoru kanceláře. Druhým kanálem proudí vzduch z venkovního prostředí, jenž slouží k udržení provozních podmínek na opačné straně termoelektrických  článků. Dopravu vzduchu zajišťují ventilátory umístěné ve vzduchotechnických kanálech.

V režimu chlazení odebírá povrch článků na vnitřní straně teplo na základě Peltierova jevu a tím ochlazuje vnitřní cirkulační vzduch. Na opačné straně článků je disipováno odpadní teplo a je odváděno do venkovního prostoru. V režimu vytápění je celý proces obrácen převrácením polarity stejnosměrného napájení termoelektrických článků (bez nutnosti jakékoliv mechanické  manipulace). V tomto režimu se vnitřní cirkulační vzduch  ohřívá teplem disipovaným z povrchu termoelektrických článků a na opačné straně dochází k ochlazování venkovního vzduchu.

Návrhový chladicí výkon jednotky je 640 W_t, který odpovídá maximální tepelné zátěži kanceláře při předpokladu zatažených vnějších žaluzií. Maximální topný výkon a elektrický příkon je uvažován přibližně 1280 Wt  a 750 W_el.

V současném návrhu má termoelektrická jednotka sloužit především k účelu chlazení, kdy se předpokládá dobrá shoda spotřeby s produkcí elektrické energie z fotovoltaiky. Ačkoliv termoelektrická jednotka umožňuje oba režimy (vytápění i chlazení), maximální topný výkon není plně dostačující pro potřebu typizované kanceláře. Dále není v tomto návrhu zohledněna funkce větrání. Vzduchové kanály nejsou propojeny a jednotka není určena k přívodu čerstvého vzduchu.

Simulační posouzení energetické soběstačnosti LOP s aktivními prvky

Před započetím konstrukční fáze byla nejprve ověřena technická životaschopnost  konceptu. V simulačním prostředí TRNSYS [3] pro energetické simulace byl vytvořen numerický model multifunkčního LOP a typizované kanceláře s rozměry 5,4 × 4,2 × 3 m. Simulační model umožňuje odhadnout dynamické chování kombinovaného systému LOP a dále bude sloužit k optimalizaci řízení. Pro predikci energetického  chování termoelektrické jednotky byl vyvinut a validován nový numerický model, který byl již prezentován v publikaci [4]. V simulaci byla uvažována celková použitelná plocha fotovoltaických panelů 10 m², které jsou umístěny na vnějším líci fasády. Pro zjednodušení výpočetní úlohy nebylo v této fázi uvažováno použití bateriového úložiště.

Energetická simulace celoročního provozu byla realizována s hodinovým krokem pro klimatické podmínky typického roku pro Prahu. Simulace kanceláře s multifunkčním LOP byla provedena pro tři orientace – východ,  jih a západ – a také pro tři varianty stínění – bez stínění, vnitřní žaluzie a vnější  žaluzie. V této studii byl navíc vyhodnocován vliv předpokládaného rozsahu  hodnot účinnosti chlazení, jež se u termoelektrického článku může měnit v závislosti na okolních podmínkách, a hodnot účinnosti fotovoltaických panelů, která závisí na konkrétní použité technologii. Typický rozsah hodnot účinnosti termoelektrického článku vyjádřené chladicím faktorem (EER) se pohybuje v rozmezí 0,4 až 1,0 [5]. U fotovoltaických panelů byla účinnost uvažována v rozsahu hodnot uváděných u technologií dostupných v současnosti  od 0,1 do 0,2 [6].

Jelikož v tomto výzkumu je cíleno na vysokou míru autonomie, kdy by modul měl dosáhnout ideálně úplné energetické soběstačnosti, roční bilance spotřeby a produkce není vhodným indikátorem, protože nezachycuje denní shodu. Z toho důvodu byly vyhodnocovány denní profily elektrické spotřeby a produkce. Hlavním spotřebičem v multifunkčním LOP je termoelektrická klimatizační jednotka. Obdobně také produkce elektrické energie z fotovoltaického systému byla vyhodnocena ve formě denního profilu. Tyto denní profily jsou uvedeny na obr. 7 pro všechny měsíce v roce, kde je profil spotřeby (kW) znázorněn v záporných a profil výroby v kladných hodnotách. Profily elektrické  produkce  z fotovoltaiky je v yznačena  zelenou barvou, spotřeba  elektrické  energie  v režimu  v ytápění červeně a v režimu chlazení modře. V každém grafu jsou pak zobrazeny všechny  denní profily pro daný měsíc  se zvýrazněným  průměrem za toto období. Konkrétně údaje v obr. 7 pocházejí ze simulace  pro jižní fasádu s vnějším  stíněním a pro horní rozsah účinností prvků kombinovaného systému.

Prezentované výsledky potvrzují předpoklad, kdy spotřeba chlazení je přibližně ve stejnou dobu jako produkce fotovoltaiky, i výkonové křivky dosahují obdobných maximálních hodnot. To podporuje koncept tzv. solárního chlazení, kdy je produkovaná solární energie přímo spotřebována pro pokrytí potřebné energie na chlazení. Časový posun, patrný z výsledků, lze kompenzovat využitím bateriového úložiště, které v této studii není zohledněno.

Na obr. 7 je možné si všimnout vyšší průměrné produkce z fotovoltaiky během jarních a podzimních měsíců v porovnání s letními měsíci. To je dáno vertikálním umístěním fotovoltaických panelů na kolmé fasádě, kdy se projeví trajektorie slunce během roku. Nižší poloha Slunce v těchto měsících umožňuje příznivější úhel dopadu slunečního záření na vertikálně umístěné fotovoltaické panely.

Situace v zimních měsících, kdy jednotka funguje v režimu vytápění/dotápění, se nejeví příznivě. Produkce energie z fotovoltaiky je malá a energie je k dispozici jen v omezeném časovém  rozmezí. Na rozdíl od toho profil spotřeby jednotky v režimu vytápění dosahuje maxima především v noci nebo v brzkých ranních hodinách. Profil je především v zimních měsících relativně konstantní na maximálním možném příkonu. Naopak přes den, kdy je k dispozici produkovaná energie, je patrný pokles příkonu klimatizační jednotky vlivem zisků od slunečního  záření procházejícího do místnosti prosklenými  částmi  fasády.  Porovnání profilů v režimu  vytápění je nepříznivé z pohledu soběstačnosti. Navíc potřeba tepla často překračuje tepelný výkon jednotky, což značí konstantní hodnota profilu. Z pohledu vytápění je klimatizační jednotka poddimenzována a není možné ji považovat za základní zdroj energie. Režim vytápění může být však využíván v přechodných měsících,  kdy je základní zdroj tepla často již odstaven.

Další analýza se zabývala výhradně funkcí chlazení, kde lze očekávat vysokou míru soběstačnosti. Byla vyhodnocena úroveň pokrytí elektrické spotřeby na chlazení místním fotovoltaickým systémem a také poměr shody produkované energie se spotřebou v rámci multifunkčního LOP.  Pro vyhodnocení byly použity indikátory OEF (z angl. on-site energy fraction) pro vyhodnocení solárního pokrytí a OEM  (z angl. on-site energy matching) pro vyhodnocení využití produkce, které jsou definovány v literatuře [7].

Indikátor OEF  určuje poměr spotřeby  elektrické  energie  pokryté z místních  zdrojů v rozsahu 0 až 1 a indikátor OEM  poměr místní vyrobené elektrické energie, která je využita ke krytí místní spotřeby nebo je uložena do bateriového úložiště v rozsahu 0 až 1. Indikátor OEF = 0,9 značí, že 90 % spotřeby je pokryto místními zdroji (zbylých 10 % musí být dodáno ze sítě). Indikátor OEM  = 0,4 znamená, že 40 % produkované energie je využito pro místní spotřebu a zbylých 60 % je exportováno do sítě. Systém je energeticky  soběstačný, pokud se OEF  indikátor rovná 1.

Všechny simulované případy uvedené v úvodu této sekce jsou tak vyhodnoceny indikátory OEF a OEM pro různé orientace a různé úrovně stínění. Každý graf pak ukazuje indikátory OEF, respektive OEM v průběhu roku, kdy jsou indikátory vyhodnoceny vždy pro týdenní interval. Rozsah tzv. krabicového diagramu (z angl. box-plot), vykreslený v obr. 8 a obr. 9, je určen rozsahem možných hodnot účinnosti jak na straně klimatizační jednotky, tak fotovoltaických panelů. Na obr. 8 je zobrazen průběh OEF, tedy poměru pokrytí spotřeby klimatizační jednotky na chlazení místní produkcí z fotovoltaického systému  během roku. Grafy v jednotlivých sloupcích platí pro různé orientace fasády a grafy v řádcích jsou pro různé druhy stínicích prvků.

Obdobně na obr. 9 je zobrazen průběh OEM, tedy poměru vyrobené energie z fotovoltaického systému  přímo použité klimatizační jednotkou. Grafy v jednotlivých sloupcích platí opět pro různé orientace fasády a grafy v řádcích jsou pro různé druhy stínicích prvků.

Tato analýza ukázala značný vliv stínění na výslednou soběstačnost. Zatímco bez stínění lze očekávat pouze okolo 20% pokrytí spotřeby elektrické energie, s vnějšími žaluziemi lze dosáhnout v průměru až 85% pokrytí. Při zajištění nejvyšší možné účinnosti prvků systému je možné dosáhnout i 100% soběstačnosti v režimu chlazení. Nicméně vnější žaluzie a volba vhodné řídicí strategie, která by koordinovala chod žaluzií, bude pro soběstačný  chod velice důležitá.

Vliv orientace fasády je méně významný. Lze si všimnout, že vyššího poměru pokrytí se dosahuje na východní fasádě. To se odvíjí od časového posunu mezi spotřebou a produkcí, kdy v ranních hodinách není tak vysoká  spotřeba klimatizační jednotky, ale již je relativně vysoká produkce z fasádních fotovoltaických panelů.

Co se  týče výsledků  OEM,  tedy poměru vyrobené energie, která je přímo využita, přebytky se víceméně  tvoří jen v případě použití vnějších stínicích prvků, a tedy pro většinu zobrazených případů je vyrobená energie přímo použita a OEM je rovna hodnotě 1. V případu s vnějšími stínicími prvky je patrné, že v některých týdnech je značná část (až 75 %) produkované energie exportována do sítě. Pro zlepšení této bilance je třeba zahrnout do výpočtu také provoz bateriového úložiště, které by mělo lépe vyvažovat spotřebu klimatizační jednotky i produkci fotovoltaického systému  a napomoci k vyššímu  využití místně vyrobené elektrické energie.

Ačkoliv jednotka může být jednoduše provozována i v režimu vytápění, na základě výsledků simulací se dospělo k očekávanému závěru, že topný výkon není dostatečný pro klimatické podmínky ČR. Režim vytápění může být využit v přechodných měsících,  kdy je základní zdroj již odstaven, nebo pro lokální ohřev, vždy však ve spolupráci s dalším základním zdrojem tepla.

V současnosti  byla v závodě WIEDEN s.r.o. dokončena výroba prototypu fasádního modulu lehkého obvodového pláště, který obsahuje všechny integrované části, jež byly popsány v článku. Prototyp fasádního  modulu byl osazen v buštěhradském areálu Univerzitního centra energeticky  efektivních  budov ČVUT  v Praze a v průběhu letního období 2020 dojde k jeho testování v reálných podmínkách na zkušební buňce reprezentující kancelářský  prostor. Výstupy z monitoringu budou porovnány se zde uvedenými výsledky numerických simulací.

Poděkování
Projekt TH03020341 Autonomní fasádní modul je řešen s finanční podporou TA ČR.

Zdroje:
[1] LOONEN, R. C. G. M.; F. FAVOINO; J. L. M. HENSEN a M. OVEREND. Review of current status, requirements and opportunities for building performance simulation of adaptive façades, J. Build. Perform. Simul., vol. 10, no. 2, pp. 1940 –1493, 2017.
[2] MATUŠK A, T.; V. ZMRHAL a V. ZAVŘEL. Prefabrikovaný fasádní modul lehkkého obvodového pláště budovy, Užitný vzor č. 33537, 2019.
[3] Thermal Energy System Specialists, TRNSYS: Transient System Simulation Tool, 2012.
[4] Z AVŘEL, V.; T. M ATUŠK A a V. ZMRHAL. Building Energy Modelling for Development of Active Facade Panel with Solar Generation and Thermoelectric Air-conditioning Unit, in Proceedings of Building Simulation 2019: 16th Conference of IBPSA. International Building Performance Simulation Association, 2019, pp. 1824 –1831.
[5] IRSHAD, K.; K. HABIB, F. BASRAWI, a B. B. SAHA. Study of a thermoelectric air duct system assisted by photovoltaic wall for space cooling in tropical climate, Energy, vol. 119, pp. 504 – 522, Jan. 2017.
[6] GREEN, M. A.; K. EMERY, Y. HISHIK AWA, a W. WARTA, Solar cell efficiency tables (version 36), Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 18, no. 5, pp. 346 –352, 2010.
[7] CAO, S.; A. HASAN, a K. SIRÉN, On-site energy matching indices for buildings with energy conversion, storage and hybrid grid connections, Energy Build., vol. 64, pp. 423 – 438, Sep. 2013.

Kolektiv spoluautorů:
doc. Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.
doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.
Ing. Petr Slanina, Ph.D.
Ing. Milan Kudláček