Az épületek várható energiafogyasztásának becslése tervezési fázisban
2022. október 3. |
Vértesy Mónika |
|
0 |
Komoly kihívást jelent megbecsülni egy megrendelőnek az építendő vagy felújítandó épület várható működési energia fogyasztását. A szerző kifejti, a probléma az, hogy óriási a különbség a tervezett és a megvalósult épület között. A számított és a mért értékek között jelentkező különbség a tervezés, a kivitelezés, az átadás és az üzemeltetési fázisok során együtt gyűjthető össze. A dinamikus energetikai szimuláció egyfelől információt biztosít ahhoz, hogy ne legyen szakadék a tervezett állapot és a valóság között, másfelől pedig döntéstámogató eszközként segítheti is a kitűzött célok megvalósulását és ellenőrzését. A szerző bemutatja a dinamikus szimuláció lépéseit, felsorolja a rendelkezésre álló szimulációs szoftvereket és a különböző európai épületminősítések elvárásait.
Komoly kihívást jelent megbecsülni egy megrendelőnek az építendő vagy felújítandó épület várható működési energia fogyasztását, és ami még elgondolkodtatóbb, hogy egyelőre kevés tervezési program követeli meg ennek a munkarésznek az elvégzését. Az esetek többségében marad a sötétben tapogatózás.
Ugyanakkor az elmúlt hónapok világgazdasági változásai és a klímaváltozás mindennapos és egyre személyesebb megtapasztalása afelé tereli a közgondolkodást, hogy végre egyre többen kezdenek el a takarékosság irányába ható lépéseket tenni. Ma már a nagy cégeknek ESG szempontrendszer szerint is érdemes értékelni a saját működésüket. Emellett a finanszírozó oldal is olyan természetességgel kér be adatokat az „E”, azaz környezeti fenntarthatósággal kapcsolatos legfőbb mutatószámokra vonatkozóan (például a legutóbbi évek teljes energiafogyasztása, vagy a különböző kategóriákba tartozó (Scope 1, Scope 2 és Scope 3) üvegházhatású gáz emissziók), mintha az az adat már minden cégnek, szervezetnek a rendelkezésére állna.
Óriású léptékű és villámgyors átalakulás zajlik, amihez – számos egyéb szereplő mellett – széles látókörű, innovációra képes mérnökök alázatos munkájára is szükség van.
A legelterjedtebb gyakorlat
Már az engedélyezési tervkészítés során készül egy energetikai számítás, ami a használatbavételkor éri el végleges formáját. Ez a hiteles energetikai tanúsítvány azonban nem igazán alkalmas a várható értékek felfedésére. Ugyan az AA energetikai besoroláshoz már szükséges vagy dinamikus szimulációt, vagy hőhídmodellezést végezni, de maga a számítás nem teljes körű, többek között nincs benne a komfortszellőzés, meglehetősen elnagyolt a számítás módja és messze nem fedi le az összes fogyasztót az épületben (például liftek, háztartási és irodai berendezések stb.). A nem megfelelő pontosságú becslés abban is megmutatkozik, hogy a biztonság érdekében erősen túlméretezettek a betervezett gépészeti rendszerek. 2022 júliusától új épület használatbavételéhez egyébként már ezt az úgynevezett közel nulla energiaigényt kell teljesíteni. A 7/2006. TNM rendelet alapján készítendő számításról már rengeteg cikk született, itt most csak azt tartom érdemesnek megemlíteni, hogy az nem tudja egy komolyabb, reálisnak nevezhető becslés szerepét betölteni.
Hazai és európai uniós szabályozási környezet
2022 júliusától új épület használatbavételéhez elvileg már a BB, azaz közel nulla energiaigényt kellett volna teljesíteni. Az energiahatékonyság szempontját és az EPBD megfelelő hazai implementálását egyáltalán nem veszi figyelembe az az idei jogszabálymódosítás, ami – többszöri halasztást követően – ezúttal 2024 júniusáig továbbra is lehetővé teszi az energetikai szempontból korszerűtlenebb épületek használatba vételét. Az „Energy Performance of Buildings Directive” nevű európai uniós irányelv 2010-ben azzal a céllal született, hogy az épületállomány számára kijelöljön egy olyan cselekvési tervet, amellyel teljesülhetnek az European Green Deal vállalásai, vagyis 2050-re karbonsemlegessé válhat a teljes épületállomány. Ennek egyik közbenső állomása az úgynevezett közel nulla energiaigényű épület (nearly Zero Energy Building, rövidítve nZEB) definiálása volt, amit a tagállamoknak 2020-ig kellett volna bevezetniük és a többségük ennek eleget is tett.
Közel nulla vagy „igazi” nulla? És vajon mennyi a nulla?
Az uniós irányelvben bevezetett nZEB fogalom nem összekeverendő a szorosan értelmezett Net Zero Energy Building-gel, mely utóbbi olyan, fokozottan energiahatékony épületet jelent, amely megújuló energiaforrásból termeli meg a működéséhez szükséges energiamennyiséget. Tervezési fázisban komoly dilemmát okozhat, és a becslésre való igény fontosságát tovább fokozhatja, hogy vajon mennyi lesz az az energiafelhasználás amit teljes egészében megújuló forrásokból kell fedezni. Azok a helyszínen megtermelhetők lesznek-e (jellemzően napelem és hőszivattyús rendszerek által) vagy valamilyen egyéb megoldáshoz kell fordulni, például bizonyítottan megújuló módon előállított energia vásárlásához (REC) vagy a projekt helyszínétől távolabbi napelem park létesítéséhez stb. Ez az úgynevezett semlegesítés, más néven carbon offset, ami számos problémát felvet, és könnyen vezet greenwashig megoldásokhoz és/vagy kettős elszámoláshoz. Ideális esetben ugyanis a net zero épület energiaigénye már valóban olyan csekély, amit maga is képes előállítani.
A probléma: óriási a különbség a tervezett és a megvalósult állapot között
Kanyarodjunk vissza a tervezés közben végzett hőtechnikai számításhoz. A jogszabályoknak való megfelelés nem egyenlő azzal, hogy minden fontos fogyasztó energiafelhasználása meg van vizsgálva, és amelyek megvannak, azok sem feltétlenül valóságos értéket mutatnak. Ennek oka, hogy nincsenek leltározva a szabályozás alá nem vont fogyasztók (unregulated loads), mint például a szerverterem, biztonsági berendezések, elektronikus-, orvosi eszközök és medencék. Nincs meghatározva a projekt nyitvatartási ideje, a várható használói létszám és hiányoznak az üzemeltetés során olyan döntő tényezők is, mint a pontos beszabályozás, beüzemelés és az üzemeltetők részére tartandó megfelelő oktatás.
Még abban az esetben is, hogyha készül a működési időszakra vonatkozó energiafelhasználást számszerűsítő becslés, az számottevően kevesebb lesz, mint a valós fogyasztás. A számított és mért értékek közötti különbséget a projekt a tervezés, a kivitetelés, az átadás és az üzemeltetési fázisok során együtt gyűjtheti össze.
Átlagos épületek esetén az energetikai követelményeknek megfelelő épület számolt energiafelhasználása csaknem 40%-kal kisebb, mint a várható működést is vizsgáló számítás. A különbözet az úgynevezett compliance gap, azaz megfelelési hiányosság. A valóságban mért energiafelhasználás jellemzően még ennél is nagyobb, ez az úgynevezett performance gap, azaz a teljesítménybeli különbség. Net zero kibocsátásra törekvő épületeknél mindhárom oszlop alacsonyabb, vagyis az energiafelhasználás kisebb (1. ábra). A számítások és a valós eredmények közötti különbségek jelentősen kisebbek, de még itt is számottevők.
1. ábra. Épületenergetikai jogszabályok szerinti, működési energiafelhasználást is becslő és a valóságban működő épületek energiafelhasználásában mutatkozó különbségek átlagos és net zero címre törekvő épületek esetén Forrás: CIBSE: TM54 Evaluation operational energy use at the design stage 2022
Magyarázat az 1. ábrához. A „Part L” az energetikai tanúsítvány angol megfelelője, amit 1000 m²-es hasznos alapterület felett kell elkészíttetni. Kisebb eltérések vannak a magyarországi tanúsítványokhoz képest, de lényegét tekintve nagyon hasonló a két módszer.
A dinamikus energetikai szimuláció, mint tervezési eszköz
Miben segít a szimuláció?
A dinamikus energetikai szimuláció egyfelől információt biztosít ahhoz, hogy ne legyen a tervezett állapot és a valóság között egy szakadék, úgynevezett „performance gap”, másfelől pedig döntéstámogató eszközként segítheti is a kitűzött célok megvalósulását és ellenőrzését. Minél korábban, a tervezés korai szakaszában zajlanak optimalizációs vizsgálatok, annál egyszerűbben és költséghatékonyabban lehet formálni a terveket. Emellett a szimuláció a tudatos gondolkozás térnyerését is ösztönözheti. Az épület energiafelhasználása végeredményben az azt használó, ott élő vagy dolgozó emberek hozzáállásától és felelősségétől is függ. A szimuláció számukra is megmutathatja, hogy az ő épülethasználatuk milyen hatással van az épület energiafelhasználására, károsanyag-kibocsájtására, karbonlábnyomára.
Mitől dinamikus?
Nemcsak a dinamikus szimuláció lehet hasznos, hanem egy statikus vizsgálat is, de természetesen nő a pontosság, ha az épület várható viselkedését egy teljes év, legalább órára lebontott adatsora mentén vizsgáljuk. Emellett a dinamikus kifejezés arra is utal, hogy a módszer segítségével könnyen vizsgálható a különböző változatok kombinációja is. Az úgynevezett szenzitivitás vizsgálat célja, hogy egy-egy jelentős paramétert megváltoztatva hogyan változik a végeredmény. A vizsgálat keretében egyebek mellett több különböző időjárási adatsort le lehet futtatni, lehetőség van megvizsgálni különböző változatokat ültetési sűrűségre és nyitvatartási időre vonatkozóan, vagy akár bizonyos vezetői döntések következményét előre vetíteni (mint például a home office engedélyezése bizonyos arányban vagy az öltözködési etikett lazítása).
Parametrikus vizsgálatok
Ennek továbbfejlesztett változata, ha a rengeteg változót parametrikusan is vizsgálják és statisztikai eszközökkel is kiértékelik. Csakúgy, mint a Forma 1-es futamoknál, akár több milliárd változatot is meg lehet vizsgálni és ki lehet elemezni, ugyanakkor nem lenne jó, ha valaki a lehetőségek szinte végtelen tárháza miatt riadna vissza az egész szimulációtól. Egy aránylag egyszerű vizsgálat is nyújthat nagyon hasznos eredményt.
Különböző forgatókönyvek lejátszása
A folyamat során a projekt csapat megvitatja, hogy melyek azok a kulcsfontosságú tényezők, amelyek különböző módon való alakulása olyan nagyfokú bizonytalanságot eredményezhet, hogy érdemes foglalkozni velük a „scenario testing” keretében. Így kirajzolódhat, hogy az eredmények alakulása milyen tartományban várható a legvalószínűbb (likely), a legrosszabb (worst case), illetve jó (high end) és rossz (low end) esetben.
A dinamikus szimuláció szükséges lépései
A következő oldalon látható 2. ábra mutatja be a szimuláció szükséges lépéseit.
2. ábra. A dinamikus szimuláció ajánlott menete. Forrás: CIBSE: TM54 Evaluation operational energy use at the design stage 2022
Először is eldöntendő, hogy egyáltalán dinamikus legyen-e a szimuláció, vagy elegendő egy egyszerűbb számítás is. Következő lépésként létre kell hozni az épület modelljét és kiválasztani a többféle adatbázis közül a projekthelyszínre legmegfelelőbb időjárási adatsort. Ideális esetben egy BIM eszközökkel tervezett épület esetében megvalósítható lenne a modell importálása a szimulációs szoftverbe, de sajnos ennek az adatátvitelnek a megvalósítása (BIM to BEM, azaz Building Information Model to Building Energy Model) a jelenlegi gyakorlat szerint és a most elérhető szoftveres környezetben még nem jellemző. A működésre vonatkozó adatok után meg kell határozni a kiegészítő rendszerek energiafogyasztását is. Ekkor már kialakul az épület várható hőmérlege (a hőveszteségek és hőnyereségek összessége), aminek ismeretében fel lehet venni az azokat kiszolgálni képes fűtési, hűtési, szellőztetési rendszereket. A gépészeti rendszer kiválasztása egyszerűbb esetben egy sablon alapján és a névleges értékek figyelembevételével történik, bonyolultabb esetben és a várható nagyobb pontosság reményében azonban lehet saját kapcsolási vázlatok alapján a valóságot teljesen megközelítő gépészeti modellt is építeni.
A 2. ábrában látható lépések a következők:
lépés: a megfelelő modellezési módszer kiválasztva
lépés: a modell megalkotása
a modell felépítése és a zónák kialakítása
az épület szintjeinek kialakítása
az időjárási adatsor kiválasztása és betöltése
lépés: az épületüzemeltetésre vonatkozó adatok becslése
a nyitvatartási idő meghatározása
felhasználói létszám és ültetési sűrűség meghatározása A belső hőnyereségek és kiegészítő energiafogyasztók meghatározása (ezek történhetnek a szimulációs szoftver segítségével vagy külön elvégzett számításokkal az alkalmazott modellezési megközelítés és a kontextus függvényében)
lépés: világítás
lépés: liftek és felvonók
lépés: elektronikus eszközök
lépés: catering
lépés: szerver termek
lépés: egyéb berendezések
lépés: HMV készítés
lépés: azon energiafogyasztók belső hőterhelésének a meghatározása, amelyek a modellen kívül számolódtak
lépés: a fűtési, hűtési és szellőztetési rendszerek és vezérléseik meghatározása Alapvetően a HMV készítés is ide tartozhat, kivéve, ha már a 9. lépésben megtörtént külön a megadása.
lépés: az épületmenedzsment szempontjainak figyelembevétele Az eredmények futtatása, kiértékelése, riport készítés
lépés: szenzitivitás vizsgálat
lépés: különböző forgatókönyvek vizsgálata
lépés: a céloknak való megfelelés és benchmarkokhoz való viszonyítás ellenőrzése
lépés: riport és megvalósulási mátrix elkészítése
lépés: minőségellenőrzés
Szimulációs szoftverek
Számos nagytudású szoftver közül lehet már választani, ilyen például az IES, TAS, DesignBuilder, EnergyPlus, IDA ICE, ezek használata többnyire költséges, sok esetben projektenként szükséges/lehetséges csak licensz vásárlása, továbbá különösen nagy teljesítményű számítógép is szükséges a modellek lefuttatásához, amely egy meglehetősen időigényes folyamat. Sok esetben az idő az, ami gátat szab annak, hogy hány féle változatot érdemes lefuttatni.
Hogyan kell modellezni az épületet?
Az alapelv a következő: a modell legyen a lehető legegyszerűbb és csak annyira összetett, amennyire szükséges. A CIBSE hiánypótló, frissen megjelent TM54 Evaluation operational energy use at the design stage című dokumentuma – amely kiegészítve saját energetikai tanúsítói és épületminősítői tapasztalatommal, ennek a cikknek is az alapjául szolgált – erre vonatkozóan részletes módszereket is tartalmaz.
Nagyon fontos, hogy a modell ugyanazt az alapterület mutatót használja (célszerűen kWh/m²/év mértékegységben), amit a projekt csapat a működési energiafelhasználásra vonatkozó célnál is definiált. Lehet ez összes bruttó belső terület, összes hasznos alapterület, vagy akár irodaházak esetén releváns lehet a nettó bérbeadható terület (NLA) is, a lényeg, hogy egységes legyen a precíz összehasonlíthatóság érdekében.
Mindemellett az EN16798-1:2019 szabvány fontos útmutatást ad arra vonatkozóan, hogy az emberek által használandó beltéri környezetben milyen kritériumoknak kell megfelelni az energetikai számítás készítésénél.
Benchmarkokhoz való viszonyítás
Minden számításnál nagy kérdés, hogy mihez érdemes viszonyítani a kitűzendő célt és később az elért végeredményt. Az EU és számos más ország (USA, Kína) is net zero carbon törekvéseket tűzött ki a klímaváltozás borzalmas hatásainak féken tartására, de bármilyen furcsán is hangzik, ma még nincs olyan szabvány, amire ki lehetne jelenteni, hogy ez az univerzálisan használható és használandó net zero küszöbérték, amit követni lehetne. A politika, a finanszírozói oldal és talán már a megbízói oldal is előrébb tart, mint a szabályozási környezet, de ebben a témában is nagyon gyorsan, hónapok alatt komoly fejlődések várhatók. A nemzetközileg elismert, egységes szabvány megszületése azért is jelent nagy kihívást, mert a különböző földrajzi helyszíneken mások a klimatikus adottságok és országonként nagyon eltérőek az energetikai ellátó rendszerek is.
Használatbavétel utáni teljesítmény ellenőrzés (post-occupancy evaluation)
Beavatkozni, javítani a teljesítményen akkor lehet, ha vannak adataink, vagyis mindenképp célszerű ellenőrizni, hogy az épület vajon a gondosan megtervezett beállításokkal működik- e (gondolhatunk itt a gépészeti rendszerek beállított hőmérsékletére, vezérlésekre stb.), vagy megvizsgálni, hogy mi lehet az oka egy esetleges teljesítménybeli különbségnek (performance gap). A tervezőcsapat és a fejlesztő következő projektjei érdekében szintén fontos lenne a működés közben szerzett tapasztalatokat is gyűjteni és összehasonlítani az eredeti modellel. A benchmarkok kialakítását is megkönnyítené, ha a valós adatokat is látnánk. A megvalósulás nyomonkövetését és a szükséges következtetések levonását segítheti egy implementációs mátrix használata is.
Melyik épületminősítés milyen számítást vár el?
A LEED minősítés elvárásai
Új épületek LEED minősítésekor csak úgy lehet magas pontszámot elérni, és ezáltal magas szintű minősítést megszerezni, hogyha dinamikus energetikai szimuláció készül, ráadásul az aktuális épület mellett egy ASHRAE 90.1 amerikai épületenergetikai szabvány szerinti referenciaépülethez viszonyított összehasonlítást is el kell végezni. (AZ USA-ban a tulajdonos, vagy akár a tervező is adójóváírást tud érvényesíteni, ha az aktuális ASHRAE 90.1 szabványnál jelentősen jobb energetikai jellemzővel bíró épületet alkot.)
A BREEAM minősítés elvárásai
A BREEAM minősítésnél egészen az idei év elejéig nem volt igazán ösztönözve a dinamikus szimuláció, igaz már eddig is elősegíthette bizonyos kreditek megszerzését (például a hőkomfortra, vagy a liftek energiahatékonyságára vonatkozót). A legújabb (version 6.0) séma szerint azonban már csak úgy lehet kifejezetten magas pontszámot elérni, hogyha nem marad ki ez a munkarész, sőt az átadást követően vissza is kell igazolni, hogy hogyan alakul a valós energiafogyasztás a tervezetthez képest és ebbe (irodaházak esetén) értelemszerűen a teljes épület, vagyis a bérlők energiafogyasztása is beletartozik. A BREEAM minősítést jegyző BRE (Building Research Establishment Ltd) magyarázata szerint „a módszertan célja, hogy ösztönözze az energiamodellezési technikák jobb megértését, és jutalmazza az energiafelhasználás – a projekt korai szakaszában történő – pontosabb előrejelzését az új épületek jobb tervezésének és megépítésének támogatása érdekében.”
Kiből lehet energetikai modellező?
A BRE szerint:
„Épületgépészeti vagy fenntarthatósággal kapcsolatos szakirányú végzettséggel vagy azzal egyenértékű képesítéssel rendelkezik és
Gyakorlati tapasztalattal rendelkezik az energiamodellezés elvégzésében, és megfelelő ismeretekkel rendelkezik a használt eszközről, pl. független szolgáltatók képzésén vett részt és
Tagja egy szakmai testületnek.”
Kezdeti lépések
Aki bele szeretne vágni ebbe az „utazásba”, annak mindenképpen érdemes kilépni abból a szemléletből, ami korlátozódik az aktuális jogszabályoknak való megfelelésre. Egyszerű eszközökkel is el lehet kezdeni a várható, minden fajta használatot átgondoló működés vizsgálatát. A minél pontosabb közelítések eléréséhez a számításokon kívül statisztikai adatokat, benchmarkokat, iparágra jellemző tapasztalatot is érdemes gyűjteni és figyelembe venni, amihez szükségszerűen kell egy jó, közös célokat kitűzni képes és együtt gondolkozó, változatos szakmai háttérből érkező csapat.
Ezt követően vagy ezzel párhuzamosan meglévő projektek konkrét modellezési elveit megfigyelve és a szoftvergyártók útmutatásait követve el lehet kezdeni modellezni. Vannak szakmai szervezetek, akik segíthetnek informálódni, ilyen például az IBPSA – International Building Performance Simulation Association. Számos blog és internetes fórum elérhető, az egyik, ahol nagy a résztvevők aktivitása, a találó URL címet viselő unmethours.com. (Az „unmet hours” azokra az üzemórákra vonatkozó kifejezés, amikor a kondicionált terek kívül esnek a fűtés vagy hűtés szabályozási tartományán.)
Lehetőség a fejlődésre
A hazai gépészek egyetemi oktatásában (választható tantárgyként többnyire?) már megjelentek a modellezéssel kapcsolatos tantárgyak, de kevés még a végzett, gyakorló szakember. Pedig a fejlődés szembetűnő, a lemaradás veszélyes, a témában rejlő lehetőség pedig szinte végtelen. A fentiek meghonosítása a tervezési gyakorlatban nemcsak a konkrét energiafelhasználásra, de a közös felelősségvállalásra is jó hatással lehet.
A szerző létesítményenergetikai szakmérnök, Futureal fenntarthatósági referens, WELL AP, LEED AP BD+C, DGNB konzulens
