Energie 2023: Dynamická simulace s hodinovým krokem výpočtu

Kategorie » téma: Energie » Obecně

27.09.2022 10.05 | Zbyněk Svoboda | Komentáře: 4 komentářů | Přečteno: 15411x

Distribuci nového programu Energie 2023 zahájíme sice až začátkem listopadu*, ale novinky v programu můžeme představit už v předstihu.

Základní a skutečně zásadní změnou je samotná transformace celého výpočtu energetické náročnosti budovy z měsíčního výpočetního kroku na hodinový.

Tento přechod byl sice primárně vyvolán zákonnou povinností použít při zpracování PENB od 1. 1. 2023 pro výpočet celkové dodané energie u budov s chlazením, úpravou vlhkosti a/nebo výrobou elektřiny nejvýše hodinový krok (viz vyhláška č. 264/2020 Sb., § 4, bod 1 a § 12), ale rozhodně nejde jen o nějakou byrokracií vynucenou a zbytečnou změnu.

Zatímco dosavadní výpočet s měsíčním krokem fungoval v podstatě jako jednoduchá stacionární tepelná bilance zisků a ztrát, nový dynamický hodinový výpočet už pracuje se skutečně nestacionárním (časově závislým) modelem budovy. Tepelná setrvačnost konstrukcí se v něm už nezohledňuje přibližně, ale přímým řešením diferenciální rovnice vedení tepla. Přesnost výpočtu se tím posouvá na úplně jinou, mnohem vyšší úroveň. A současně se značně rozšiřují i možnosti přesnějšího modelování provozních režimů technických systémů v budově.

Otevřeně je nicméně třeba uvést, že odvrácenou stranou zvýšení přesnosti výpočtu je prodloužení doby jeho trvání. Nárůst počtu potřebných výpočetních operací je v hodinovém modelu enormní (násobky v řádu stovek až tisíců), a to má bohužel nutně dopady na rychlost výpočtu.

Podrobnější popis všech novinek najdete dále v článku...


* Aktualizace 29.9.2022: Původně uvedený začátek října byl bohužel chybnou informací, omlouváme se. Dnes nám bylo potvrzeno, že oficiální smluvní hodinové profily užívání budou k dispozici až na konci října.


Výpočet potřeb energie s hodinovým krokem

Pro stanovení všech potřeb energie (na vytápění, chlazení, zvlhčování a odvlhčování vzduchu) se nově používá výpočet s hodinovým krokem podle EN ISO 52016-1.

Zadání hodinových klimatických dat
Zadání hodinových klimatických dat

Ve výpočtu lze zohlednit časové změny všech relevantních veličin během celého roku (tj. během 8760 h). Takto detailně lze definovat a zahrnout do výpočtu nejen klimatické údaje (teplotu a vlhkost vzduchu, intenzitu slunečního záření, rychlost větru atd.), ale i velikost vnitřních zisků, intenzitu větrání či provoz žaluzií. Výsledky výpočtu se tisknou jak do tradičních tabulek v protokolu o výpočtu (po měsících), tak do samostatného souboru s příponou CSV, který lze otevřít v programu MS Excel a který obsahuje všechny vypočtené hodinové údaje.

Ukázka detailních hodinových výsledků v souboru formátu CSV
Ukázka detailních hodinových výsledků v souboru formátu CSV

Šíření tepla vedením přes neprůsvitné stavební konstrukce se ve výpočtu hodnotí nestacionárně ve dvou úrovních přesnosti. Méně přesné výsledky, ale zato rychlejší výpočet, lze očekávat při použití 5-uzlového modelu stavebních konstrukcí podle EN ISO 52016-1. Pomalejší výpočet s přesnějšími výsledky pak při použití obecného n-uzlového modelu s exaktním zohledněním konkrétních zadaných skladeb. V obou případech se řešení získává metodou konečných prvků.

Součástí výsledků výpočtu potřeb energie na vytápění a chlazení je i informace o minimálním potřebném výkonu zdroje tepla a/nebo chladu na pokrytí potřeby energie a ztrát v distribuci a sdílení. Tato hodnota platí samozřejmě vždy pro použitý referenční klimatický rok a zadané hodinové profily užívání.

Protokol o výpočtu s minimálním potřebným výkonem zdroje tepla
Protokol o výpočtu s minimálním potřebným výkonem zdroje tepla

Přesnost výpočtu potřeb energie na vytápění a chlazení byla detailně testována podle normy ASHRAE 140 (2017), která se používá jako mezinárodní srovnávací standard pro energetické simulace budov. Výsledky programu Energie 2023 se typicky pohybují v intervalu mezi minimálními a maximálními hodnotami získanými z jiných testovaných zahraničních programů (např. TRNSYS, ESP-R, DOE atd). Podrobné výsledky porovnání najdete v samostatném příspěvku.


 Výpočet dodané a primární energie s hodinovým krokem

Hodinový krok výpočtu se používá v programu Energie 2023 nejen pro stanovení potřeb energií, ale i pro určení výsledných dílčích dodaných energií, celkové dodané energie, primární energie z neobnovitelných zdrojů a emisí CO2.

Grafický výstup s denními hodnotami dílčích složek dodané energie
Grafický výstup s denními hodnotami dílčích složek dodané energie

Podrobnější hodinový výpočetní model umožňuje zohlednit mnoho dosud opomíjených faktorů, např. vliv výkonu zdroje tepla či chladu na výslednou teplotu v zóně, vliv aktuální venkovní osvětlenosti na dodanou energii na osvětlení či vliv venkovní teploty na výkon tepelného čerpadla a s tím související potřebu zapnutí bivalentního zdroje tepla.

Podstatně přesnější je hodnocení využitelnosti vyrobené energie v budově. Pro tepelnou energii ze solárních kolektorů i pro elektrickou energii z fotovoltaických panelů či kogenerace se provádí bilancování její produkce a využitelnosti po hodinách, přičemž se vždy zohledňuje i aktuálně dostupná kapacita akumulátorů (baterií) či zásobníků teplé vody. Vyhodnotit lze volitelně i využití elektřiny z fotovoltaického systému či kogenerace na provoz spotřebičů v budově.

Protokol o výpočtu s denní produkcí elektřiny z FV systému a denní spotřebou elektřiny
Protokol o výpočtu s denní produkcí elektřiny z FV systému a denní spotřebou elektřiny

 Zásadní rozšíření možností modelování

Všechny provozní parametry budovy (požadované vnitřní teploty, intenzity větrání, produkce tepla, produkce vodní páry, odběry teplé vody, požadované vlhkosti atd.) lze definovat až do úrovně jednotlivých hodin v roce. Pro běžné budovy jsou k dispozici smluvní hodinové provozní profily, převzaté z publikace „Hodinová klimatická data a parametry typického užívání budov a zón s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie pro výpočet dodané energie a pomocné energie v souladu s § 4 odst. 1 vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov“ (K. Kabele a kol., STP Praha 2022), jejíž zpracování iniciovalo MPO ČR právě pro účely tvorby energetických průkazů. Smluvní hodinové profily víceméně odpovídají dosud používaným měsíčním profilům užívání podle ČSN 730331-1 a jejich použití v programu je podobně jednoduché: všechna data se aktivují pouhým výběrem názvu profilu z rozbalovacího menu.

Výběr smluvního hodinového provozního profilu při zadávání podzóny
Výběr smluvního hodinového provozního profilu při zadávání podzóny

Pro budovy s méně běžnými provozy lze definovat vlastní hodinové profily užívání. Postup je v zásadě shodný s postupem v Energii 2020-21 (lze tedy samostatně definovat provoz pro všední den, sobotu, neděli a svátek a k tomu navíc i mimořádný provoz), upraveno bylo jen zadávání požadované osvětlenosti a požadovaných relativních vlhkostí vnitřního vzduchu v režimu zvlhčování a odvlhčování. Podrobněji lze také volit časové intervaly, v jakých má být použit sváteční a mimořádný typ provozu.

Definice hodinových hodnot parametrů vnitřního prostředí při zadávání vlastních profilů užívání
Definice hodinových hodnot parametrů vnitřního prostředí při zadávání vlastních profilů užívání

Pro zdroje tepla a chladu lze zadávat nejen jako dosud odhadnutý procentuální podíl na dodávce energie do budovy, ale nově lze také zvolit hlavní zdroj a až dva doplňkové zdroje tepla/chladu. Program v takovém případě sám automaticky vyhodnocuje, zda je výkon hlavního zdroje energie dostatečný na pokrytí aktuální hodinové potřeby energie. Pokud ano, sekundární zdroje se nevyužijí. Pokud ne, použije se první, a případně i druhý doplňkový zdroj, je-li zadán. Podmínkou pro tento postup je pečlivé zadání jmenovitých výkonů všech zdrojů tepla a chladu (resp. výkonové křivky pro tepelná čerpadla).

Zadání doplňkového zdroje tepla
Zadání doplňkového zdroje tepla

Pro výplně otvorů lze zadat pohyblivé stínící prvky (žaluzie, rolety) s detailními vlastnostmi a s různým typem ovládání. Pro každou hodinu se pak stanovuje poloha žaluzie (stažená/vytažená) automaticky v závislosti aktuální intenzitě slunečního záření. V souvislosti s tím se také upravuje průměrný činitel denní osvětlenosti hodnocené zóny a vyhodnocuje se aktuální potřeba umělého osvětlení.

Zadání pohyblivých stínících zařízení u výplní otvorů
Zadání pohyblivých stínících zařízení u výplní otvorů

Pro fotovoltaické systémy lze volit mezi dvěma způsoby akumulace nevyužité elektrické energie: buď do akumulátorů (jako dosud), nebo do zásobníku teplé vody (nově), přičemž v každé zóně může být typ akumulace jiný. Pro zásobník teplé vody se zohledňuje celková tepelná kapacita zásobníku a účinnost ohřevu vody elektřinou z FV systému.

Akumulaci nevyužité energie do zásobníku teplé vody lze zohlednit i pro solární termické systémy (volitelně buď do samostatného solárního zásobníku, nebo do standardního zásobníku teplé vody s bivalentním či průtokovým dohřevem). Ve všech případech akumulace energie se provádí bilancování odběru energie, ukládání energie a dostupné akumulační kapacity pro každou hodinu v roce.


 Podrobné určení parametrů vnitřního prostředí

V rámci výpočtu potřeby energie na vytápění a chlazení se stanovuje rovněž průběh operativní vnitřní teploty a teploty a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu v jednotlivých zónách. Standardně se tyto hodnoty určují pro neomezený výkon zdrojů tepla a chladu, tj. pro výkon, který vždy postačuje na pokrytí aktuální hodinové potřeby tepla či chladu.

Grafický výstup s denními průměrnými hodnotami teplot a rel. vlhkosti
Grafický výstup s průměrnými denními teplotami včetně výsledků pro režim free-float

Volitelně lze ale vypočítat i parametry vnitřního prostředí pro zónu bez jakýchkoli zdrojů energie (pro tzv. free-float režim). Snadno si lze tímto způsobem ověřit, jaké teploty v zimním či letním období lze očekávat v zóně bez funkčních zdrojů energie.

Další volitelnou možností je zohlednění reálných jmenovitých výkonů zdrojů tepla a chladu. V takovém případě program vždy porovnává dostupný výkon zdroje energie s aktuální hodinovou potřebou… a pokud výkon nestačí, tak automaticky určí, jakou teplotu bude možné v zóně s daným zdrojem energie očekávat. Pokud je zdroj tepla použit ve více zónách, zohledňuje se ve výpočtu i to, jaká část výkonu zdroje byla již použita v ostatních zónách.

Program dále tiskne do protokolu o výpočtu stručné statistické přehledy, např. dobu trvání určité relativní vlhkosti vnitřního vzduchu za rok či počet hodin za rok, během kterých je v zónách překročena teplota 30 °C. Upozorňuje se tím na riziko přehřívání zóny v letním období (při teplotách nad 30 °C) či na zvýšenou pravděpodobnost výskytu plísní na vnitřním povrchu konstrukcí (při vlhkostech nad 80 %).

Protokol o výpočtu s přehledem dob trvání určitých teplot a vlhkostí
Protokol o výpočtu s přehledem dob trvání určitých teplot a vlhkostí

 Zadávání vstupních dat

Zatímco výpočet se mezi verzemi 2020/21 a 2023 změnil zcela zásadně, zadávání vstupních dat zůstalo záměrně prakticky stejné. Speciálně pro uživatele, kteří byli zvyklí používat pouze profily užívání z ČSN 730331-1, se z hlediska zadávání mění jen velmi málo. Postup zadávání a jeho celková struktura zůstaly beze změn, přibyly různé volitelné, nepovinné údaje a údaje popisující podrobněji chování různých zařízení v čase (např. žaluzií a rolet či tepelných čerpadel).


 Rozsáhlé grafické výstupy

Zcela přepracován byl modul pro zobrazení grafických výstupů, který nyní umožňuje zobrazit kromě dosavadních grafů také detailní hodinové průběhy vybraných veličin. Veličiny lze vybírat ze seznamu s více než 30 položkami (od klimatických dat po výsledky výpočtu) a kombinovat je možné zobrazení až 5 různých veličin s měřítkem na hlavní či vedlejší svislé ose podle volby uživatele. Zobrazit lze přitom jak hodinové hodnoty, tak denní průměrné či součtové hodnoty – a to buď pro celý rok, nebo pro libovolný vybraný časový úsek.

Modul pro zobrazení grafických výstupů s okénkem výběru veličin do grafu ročních průběhů
Modul pro zobrazení grafických výstupů s okénkem výběru veličin do grafu ročních průběhů

Grafické výstupy lze volitelně vkládat i do protokolu o výpočtu, který tak může být rozšířen např. o porovnání průběhu teploty venkovního a vnitřního vzduchu během roku, o zobrazení časových změn v potřebě energie na vytápění, chlazení a úpravu vlhkosti či o graf s denními dodanými energiemi.

Protokol o výpočtu s průběhem teploty venkovního a vnitřního vzduchu a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu
Protokol o výpočtu s průběhem teploty venkovního a vnitřního vzduchu a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu

 Import dat z předchozích verzí a jiných programů

Vstupní data verze 2023 mají sice odlišný formát, než data z předchozích verzí programu, ale program umožňuje snadný import úloh z Energie 2020/21. Ve většině případů není třeba po importu doplňovat větší množství údajů. Výjimkou je import úloh s vlastními profily užívání, které bohužel nelze plně importovat a které vyžadují opětovné zadání vlastních profilů.

Import dat z programu Protech TV ve formátu XML je i nadále plně podporován. Jsou-li zadány profily užívání z ČSN 730331-1, nastaví se adekvátní hodinové profily automaticky. Pokud profil užívání nastavit nelze, program na problém upozorní. Stejně tak upozorní i na chybějící orientaci vnějších konstrukcí vůči světovým stranám – výpočet s hodinovým krokem už takové zadání nepřipouští.


 Nový katalog profilů užívání

Výrazně přepracován byl katalog profilů užívání, který nyní ukazuje hodinové průběhy všech provozních parametrů pro všední den, sobotu, neděli, svátek a mimořádný provoz. Katalog obsahuje všechny hodinové profily z publikace „Hodinová klimatická data a parametry typického užívání budov a zón s chlazením, úpravou vlhkosti nebo s výrobou elektrické energie pro výpočet dodané energie a pomocné energie v souladu s § 4 odst. 1 vyhlášky č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov“ (K. Kabele a kol., STP Praha 2022) a lze ho doplňovat o další uživatelské profily užívání. Používá se především jako pomůcka při tvorbě vlastních profilů.

Katalog hodinových profilů užívání
Katalog hodinových profilů užívání

 Další úpravy a změny

Z programu Protech TV lze importovat více než 10 obalových konstrukcí mezi nevytápěným prostorem a interiérem a mezi nevytápěným prostorem a exteriérem. Program v takovém případě automaticky vytvoří více nevytápěných prostorů se stejným jménem a obalové konstrukce mezi ně rozdělí. Ve výpočtu se dílčí části stejnojmenného nevytápěného prostoru zas spojí.

Při zadávání úlohy obsahující doporučená opatření a alternativní systémy dodávek energie lze nově zvolit, že budou zadávány pouze alternativní systémy. Tato volba je podle § 7a, bod 4e) zákona č. 406/2000 Sb. v aktuálním znění dostatečná pro budovy, které už ve výchozím stavu dosahují klasifikační třídy A u celkové dodané energie a u neobnovitelné primární energie. Doporučená opatření není poté nutné navrhovat a popisovat, stačí popsat, zadat a vyhodnotit pouze alternativní systémy.

Rozšířena byla funkce tlačítka Odstranit aktuální formulář na panelu nástrojů umístěném v pravé části formulářů pro zadání vstupních dat. Pokud existuje jen jediný formulář, stisk tohoto tlačítka tento formulář kompletně vynuluje. Dosud se v takovém situaci objevilo jen upozornění, že formulář nelze odstranit.

Rozšířeno bylo zadání údajů o energetickém specialistovi na okénku Možnosti programu. Nově lze v případě potřeby zadat tyto údaje dvakrát: jednou pro specialistu jako fyzickou osobu a podruhé pro specialistu jako právnickou osobu. Při vyplňování úvodního formuláře lze pak jednoduše mezi oběma pozicemi specialisty přepínat a program automaticky vyplní políčka přednastavenými údaji, pokud je povoleno vkládání údajů o specialistovi do nové úlohy.

Na okénku Možnosti programu byla dosavadní volba, zda vkládat či nevkládat podpisy energetického specialisty do PENB, nahrazena dvěma samostatnými volbami pro podpis na první straně a pro podpis na poslední straně.

Na okénko Možnosti programu byla dále přidáno volitelné zadání trvalého adresáře pro obrázky budov. Bude-li tento adresář nastaven, obrázky budov budou vždy hledány nejprve v něm.

V přehledu zadaných vypočtených hodnot na panelu úlohy se nově zobrazují u průměrného součinitele prostupu tepla, u celkové dodané energie a u primární energie z neobnovitelných zdrojů kromě vypočtených hodnot i klasifikační třídy.


 Rychlost výpočtu a požadavky na hardware

Vzhledem ke značnému nárůstu numerických operací (např. výpočet potřeby tepla na vytápění nově vyžaduje až 26 280 kroků místo dosavadních 12), je bohužel nezbytné počítat s významným prodloužením doby výpočtu. V některých případech může jít až o desítky minut – zvláště pak u mnohazónových budov s velkým počtem konstrukcí.

Rychlost výpočtu je obecně vzato vyšší u budov s méně zónami, s menším počtem konstrukcí a s menším počtem vrstev. Doporučuje se proto pečlivě zvážit způsob zónování budovy a kdykoli je to možné, tak počet zón minimalizovat. Je-li rychlost výpočtu prioritou (a přesnost není tak zásadní), doporučuje se používat pro výpočet 5-uzlový model neprůsvitných konstrukcí, případně zadávat pro konstrukce nikoli skladbu, ale jen součinitel prostupu tepla (stejný efekt).

Okénko s volbami pro způsob výpočtu
Okénko s volbami pro způsob výpočtu

Program zobrazuje před samotným spuštěním výpočtu okno s různými volbami, které umožňují vybrat nejen typ protokolu či typ výpočetního modelu neprůsvitných konstrukcí, ale i rozsah výpočtu.  Kromě standardního kompletního výpočtu hodnocené i referenční budovy je k dispozici redukovaný výpočet hodnocené budovy ve dvou úrovních (bez a s dodanou a primární energií), rozšířený výpočet potřeby energie s vlivem výkonů technických zařízení a doplňkový výpočet průběhu vnitřní teploty v režimu free-float (bez zdrojů tepla a chladu).

Program sice nevyžaduje nějak nadstandardně nakonfigurovaný hardware, ale pro rozumně rychlý výpočet je nutné doporučit výkonný procesor typu Intel Core i7 či i9. Rozdíl v délce výpočtu oproti méně výkonným procesorům může být významný.

Zbyněk Svoboda

Komentáře:

#1 | Ondřej » --

29.09.2022 09.40

Dobrý den, prošel jsem si článek, všechna čest, musela to být obrovská úprava SW.
Měl bych hned první dotazy:
- Půjde v E23 i nadále zadávat kce pouze na úrovni výsledného "U" (výpočet U bude proveden v jiném SW) v případě výpočtu zjednodušenou metodou 5 uzly?
- U neprůsvitných kcí tedy již nepůjde zadat orientaci vůči svět.stranám "neznámá" - což byl průměr hodnot pro všechny svět.strany? Toto jsem často využíval, protože na dobře zateplené kce nemá orientace vliv.

#2 | Zbyněk Svoboda » Zadání parametrů konstrukcí

29.09.2022 10.44

Děkuji za komentář a dotazy. Stavební konstrukce bude možné i v nové verzi zadávat stejně jako dosud: tedy buď zadáním konkrétní skladby, nebo zadáním součinitele prostupu tepla. V druhém případě se ovšem bude muset ještě navíc nastavit charakter konstrukce z hlediska tepelné akumulace (lehká, těžká...) a způsob uspořádání vrstev (hmotné vrstvy na vnitřní straně, na vnější straně, uprostřed...). Pro konstrukce se zadanou hodnotou U se pak automaticky ve výpočtu použije 5-uzlový model.
Pro každou konstrukci musí být nově zadána konkrétní orientace. To, co šlo provést u měsíčního kroku, u hodinového bohužel nejde - vznikla by tím příliš velká deformace výsledků.

#3 | V.Čepička » Faktor obnovitelnosti

10.11.2022 09.31

Zajímalo by mně to podstatné pro projektanty topných systémů:
současný faktor obnovitelnosti u elektřiny ze sítě je 2,6 , čímž jsou prakticky vyloučeny návrhy objektů se zdroji typu elektrokotle, topné rohože a kabely, přímotopy atd. V ojedinělých případech vyhoví průkazy v kombinaci s rekuperacemi a zdroji na biopalivo . V současné energetické krizi, situaci se zdroji typu tepelná čerpadla, fotovoltaika ,hybridní boilery apod. /ceny,dostupnost/ jsou projektanti a ES pod tlakem investorů.
Došlo ke změně faktorů obnovitelnosti elektřiny- zemního plynu ve vazbě na stav v EU ?? Bude to promítnuto do PENB ?

#4 | Zbyněk Svoboda » Faktory primární energie

10.11.2022 14.20

Zatím se nic ohledně faktorů primární energie nezměnilo. Jestli se něco chystá, bohužel nevíme. Zkuste se prosím zeptat na MPO, tam by měli mít nejčerstvější informace.

Přidat komentář

 *
 *
 
 *

*) Povinné položky jsou označeny hvězdičkou.