Modelovanje energetski efikasnih zgrada - od idejnog arhitektonskog rešenja

Danas, kada je na tržištu prisutno na desetine programskih paketa koji pružaju mogućnost projektovanja održivih zgrada (sustainable buildings), prava je jeres ne koristiti ih. Mogućnosti koje nude ovi programi se pružaju praktično u beskonačnost, a većina njih je prilično laka i intuitivna za korišćenje.

Vertikalne prepreke na istočnoj fasadi

Prilika za sve

Kada znamo da se ovakvi programi u svetu koriste u poslednjih desetak godina (a u zemljama liderima u ovoj oblasti i duže), pravo je pitanje zašto njihovo korišćenje nije više prisutno na našim prostorima? Odgovornost je sigurno na prvom mestu na projektantima koji ne pokazuju dovoljno inicijative za ove programe, niti dovoljno upućuju arhitekte u mogućnosti koje ovi moćni alati nude.

Sa druge strane, ni država nije pokazala volju da se uključi u savremene tokove u smislu uštede energije (energetski efikasnih zgrada) i smanjenja emisije CO₂ u vidu subvencija i slično.

Izuzev člana 4. novog Zakona o planiranju i izgradnji objekta, gde osim naslova nema ni reči o efikasnosti, nema drugih zakona koji se bave ovom problematikom. Ipak, i pojava ovog šturog člana, izradom kvalitetnih podzakonskih akata, može biti početak jedne pozitivne tendencije.

Kako može?

Iz iskustva koje je primenjivo u većini slučajeva priča ide ovako: arhitekta projektuje objekat, tako što, najčešće, vrlo kasno uključuje projektante drugih struka. Građevinski omotač objekta direktno utiče na mnoge aspekte objekta uključujući: termičku ugodnost, dnevno osvetljenje, blještanje, energetsku efikasnost, potencijal za prirodnu ventilaciju i nivo buke.

Baš zato je značajno da od samog početka projekta budu uključeni projektanti svih struka. Koliko imamo zgrada sa fasadom projektovanom da bude energetski efikasna i pruži termičku ugodnost kao osnovne zahteve? Ne mnogo. Veliki broj novih zgrada ima fasade koje su u celini od stakla. Jedine zgrade koje opravdavaju stakleni omotač su staklenici – pravljeni za biljke, a ne za ljude.

Veći deo života provodimo u zgradama, pa bi trebalo i da ih projektujemo tako da su u funkciji korisnika – i sa strane komfora i sa strane utroška energije. Dakle, projektovanje bi trebalo da počne iznutra, a ne spolja. Prvi korak treba da bude definisanje uslova koje treba da ispunjava prostor u kome će korisnik boraviti, a zatim se ceo projektni tim angažuje na razvoju rešenja fasade zgrade koja će najbolje zadovoljiti te uslove – tako da bude i efikasna, ali i atraktivna.

Optimizacija fasade zahteva malo sofisticiraniji pristup od pukog zadovoljenja koeficijenata prolaza toplote. Danas su inženjerima na raspolaganju alati za analizu različitih rešenja fasade kao npr. analiza senke, termičke ugodnosti i analize dnevnog osvetljenja. Ovi alati omogućavaju donošenje odluka na osnovu dobijenih podataka iz simulacija – umesto nagađanjem, i izbegavanje situacije u kojoj se problem rešava znatno kasnije (tako što će se npr. predimenzonisati instalacije grejanja i hlađenja).

Tehnologija proizvodnje prozora jeste napredovala, ali je koeficijent prolaza toplote stakla i dalje 3-5 puta veći od standardnog izolovanog zida. Ne treba zaboraviti ni da su istok, zapad, sever i jug izloženi različitim spoljnjim uticajima tokom dana tako da i fasade različito orijentisane treba da imaju različite karakteristike – zgrada ne mora da izgleda identično sa svake strane.

U stvarnosti se najčešće susrećemo sa objektima čiji je izgled arhitekta osmislio sa vrlo malo osvrta na optimizaciju u smislu energetske efikasnosti.

Trend staklenih zgrada, koji je sve prisutniji i u domaćoj arhitekturi, poslednih godina uzima maha, pri čemu niko ne obraća pažnju da li baš kompletna fasada treba da bude od stakla? Da li je zaposlenom na sedmom spratu poslovne zgrade neophodan živopisan pogled dok se saginje ispod stola da napuni mobilni telefon? Da li je dnevna svetlost koja prodire ispod nivoa stola toliko neophodna?

Ukratko: zgrada na prvom mestu treba da bude u funkciji njenih korisnika, pa tek onda na red dolazi atraktivan izgled koji je prodaje. Sa porastom cene svih energenata, sve više korisnika npr. poslovnog prostora mnogo više pažnje će obratiti na to koliki će račun za struju stići na kraju meseca, a manje na privlačnu staklenu fasadu. Kad jednom uđe u zakup prostora – treba tu i da ostane!

Od A do B

Kao i pri konvencionalnom projektovanju inicijator mora biti arhitekta kao vođa projekta. Nakon prvih ideja o objektu, definisanja oblika i orijentacije u vidu početnih skica i osnova, arhitekta treba da uključi konsultanta za analizu dnevnog osvetljenja. Analiza dnevnog osvetljenja kao jedan od prvih koraka u procesu energetske optimizacije objekta ima za cilj definisanje optimalne veličine prozora.

U interesu korisnika je da prozori budu što veći da bi što više dnevne svetlosti (koja je najprijatnija) prodiralo u zgradu i na taj načnin se izbegla upotreba veštačkog svetla kad god je to moguće - što čini značajne uštede u potrošnji energije. Sa druge strane, veličina prozora dominatno utiče na toplotno opterećenje zgrade (zračenje Sunca) u letnjem periodu, tako da bi bilo poželjno da budu što manji.

Prema inicijalnim arhitektonskim osnovama, pristupa se, u odgovarajućem programskom paketu, izradi 3D termodinamičkog modela objekta (slika 1). Zatim se definišu karakteristike zastakljenja važne za analizu dnevnog osvetljenja, na prvom mestu koeficijent zasenčenja. To je optička veličina koja pokazuje količinu svetlosti koja biva propuštena kroz staklo.

Nakon toga se u model unose i postojeći okolni objekti, ukoliko postoje, zbog njihovog potencijalnog uticaja na intenzitet dnevnog osvetljenja u objektu (slika 2).

Prema standardima i preporukama se za date vrste prostora (vidi tab.1) usvaja željeni nivo dnevnog osvetljenja i vrši se analiza svake prostorije koja je od interesa. Softver može vršiti analizu za bilo koji datum i sat, tako da je u ovoj fazi najveća nedoumica za koji se trenutak u toku godine opredeliti.

Kao očigledni projektni dani nameću se svakako 21. jun i 21. decembar. Rezultati analize za ova dva datuma će dati maskimalan, odnosno minimalan nivo dnevnog osvetljenja.

Pored toga što dnevno osvetljenje varira tokom godine, varira i tokom dana. Prostorije orijentisane ka istoku dobiće najviše svetla ujutru, a prostorije orijentisane ka zapadu – popodne.

Program takođe omogućuje i izbor vremenskih prilika – tako da su na raspolaganju različite opcije: oblačan dan, sunčan dan, čisto nebo itd. Program može vršiti analizu za ravan koja je na bilo kojoj visini od površine poda – najčešće se analiza radi za standardnu vrednost 0.8m (standardna visina radnog stola).

Slika 1 – Prikaz analize uticaja sunca na senku 3D termodinamičkog modela (21. Mart, 09:00) (gore levo)
Slika 2 – Prikaz uticaja postojećeg objekta na novoprojektovani (21. Mart, 09:00) (gore desno)
Slika 3 – Analiza dnevnog osvetljenja za spavaću sobu: čisto nebo (21. Mart, 15:00h) (dole levo)

Nakon odabira svih parametara pristupa se simulaciji dnevnog svetla za određenu prostoriju. Simulacija obično traje petnaestak minuta za standardne prostore, dok za komplikovanije geometrije može da traje i sat vremena.

Na slici 3 prikazan je rezultat analize dnevnog osvetljenja za jednu sobu, koja će istovremeno biti i radna i spavaća. Vidimo da su vrednosti dnevnog osvetljenja uz prozor gde će biti radni sto, preko 300 lux-a što je dovoljno za čitanje i pisanje, dok je intenzitet dnevnog svetla u ostatku sobe, i na mestu gde će biti krevet oko 100 lux-a, što je sasvim dovoljno.

U slučaju da je nivo osvetljenja bio nedovoljan na mestu radnog stola ili ostatku sobe, opet se vraćamo na model i modifikujemo ga tako što – ili povećavamo veličinu prozora, ili se uvodi dopunski prozor na istom ili drugom zidu (ili krovu – ako je to moguće), a postojeći se po potrebi i smanjuje.

Postupak se ponavlja dok se ne dobiju željene veličine intenziteta dnevnog svetla na radnoj površini. U toku optimizacije, mogu se varirati i vrednosti koeficijenta zasenčenja zastakljenja po potrebi (Tabela 1).

Analiza se može vršiti i za prostore koje nemaju prozor, tako što će se razmatrati uticaj uvođenja dnevnog svetla posredstvom svetlosnih tunela (solar tubes).

Po završetku analize dnevnog svetla pristupa se analizi omotača objekta.

Optimizacija građevinskog omotača

Analiza se obavlja u nekoliko koraka. Prvo je neophodno definisati početne vrednosti za: vrstu i debljinu svih slojeva spoljnjih i unutrašnjih zidova, poda i krova, tip i vrstu zastakljenja – dakle, definisati sve elemente omotača zgrade njihovim fizičkim veličinama. Sa ovim inicijalnim vrednostima će se ući u analizu.

Za svaku prostoriju je neophodno definisati temperaturu leti i zimi kao i željeni broj izmena vazduha. Program nudi i mogućnost unošenja broja ljudi koji borave u svakoj od prostorija kao i količine toplote koje oni odaju. Projektant elektro instalacija obezbeđuje podatke o količini odavanja toplote osvetljenja i svih drugih električnih uređaja u sobi.

Zatim se unose i režimi rada osvetljenja – od koliko do koliko sati se očekuje da će svetlo biti uključeno, kao i režimi boravka ljudi – u kom periodu će ljudi boraviti u prostoriji. Kada se svi navedeni parametri definišu može se pristupiti termodinamičkoj simulaciji ponašanja objekta.

Za ovu vrstu analize neophodni su i meteorološki podaci za mesto gradnje objekta – datoteka meteoroloških podataka (weather file). Ova datoteka sadrži različite časovne podatke relevantne za datu lokaciju: temperaturu po suvom i vlažnom termometru, relativnu vlažnost, brzinu i pravac vetra, sunčevo zračenje itd. – sve podatke koje program uzima u obzir pri proračunu.

Za većinu svetskih gradova ova datoteka meteoroloških podataka već je uključena u program. Beograd nije na spisku, ali meteorološki fajl za Beograd, kao i za mnoge druge svetske gradove kojih eventualno nema, može se besplatno preuzeti sa sajta www.eere.energy.gov (U.S. Department for Energy – Ministarstvo energetike SAD).

Rezultat ove simulacije je izveštaj koji sadrži potrošnju energije na godišnjem nivou, kao i potrebnu količinu toplote za grejanje zimi i hlađenje leti. Zatim se parametri koji su za dati objekat od interesa (na primer debljina izolacije spoljnih ili ukopanih zidova, propustljivost sunčevog zračenja prozora i sl.) menjaju, a proces simulacije ponavlja.

Cilj ovog iterativnog postupka je da se tačno uvidi kojim će se merama postići koje, i što je još značajnije, kolike uštede. Sa druge strane, ušteda u eksploataciji treba da dâ podatak i o opravdanosti investicije. Drugim rečima: lako ćete ubediti investitora da treba da ugradi izolaciju veće debljine ili prozore boljih karakteristika ako pred njega izađete sa konkretnim podacima o uštedi.

Zaštita od sunčevog zračenja

Da bi si smanjila potrošnja energije potrebna za održavanje termičkih uslova ugodnosti neophodno je inkorporirati određene prepreke (tzv. brisoleji – brise soleil) u fasadu. Uloga ovih prepreka je da propuštaju sunčevo zračenje zimi kada je to poželjno, a sprečaju prodor direktnog sunčevog zračenja leti (dovodi do pregrevanja prostrorija u zgradi) istovremeno propuštajući dovoljno dnevne svetlosti u prostor.

Postavljanje prepreka na ispravan način jedna je od vrlo efikasnih a malo investiciono zahtevnih mera. Prepreke mogu biti u vidu ploča, rebara i sl., a uticaj na zgradu se može ustanoviti varijacijom ugla i odstojanja od fasade pod kojim se postavljaju i ponavljanjem simulacije. Moguća je ugradnja i pokretnih prepreka, kada se preko odgovarajućih senzora i automatike pomeraju tako da uvek obezbeđuju dovoljno dnevnog svetla, ali i štite od sunčevog zračenja i preteranog upada dnevnog svetla – blještanja.

Neka od opštih pravila za postavljanje prepreka su: da na istočnoj i zapadnoj fasadi (slika gore desno) budu vertikalne da bi mogle da štite fasadu od sunca koje je pod niskim uglom (ujutru i predveče), dok se na južnoj fasadi preporučuju horizontalne prepreke (slika dole desno).

Da bi prepreke na pravi način obavljale svoju funkciju, u fasadu ih treba inkorporirati na način da štite od sunčevog zračenja, ali da ne blokiraju pogled i prodor dnevne svetlosti. Kada se sa arhitektom usaglasi početni oblik i raspored prepreka, pristupa se njihovoj implementaciji u 3D termodinamički model.

Variranjem oblika i veličine prepreka dolazi se do optimalnog rešenja. Na kraju, dobijanje bilo kakvih rezultata o uštedi energije primenom ove mere kao i poređenje dobijenih rezultata za različite paramtere je nemoguće bez primene programskih alata za energetske dinamičke simulacije.

Efikasni sistemi

Analiza se, dalje, može sprovoditi i poređenjem efikasnosti različitih sistema grejanja i hlađenja. Moguće je vršiti provere korišćenja npr. geotermalnih, zemnih ili vazdušnih toplotnih pumpi, pa uporediti potrošnju energije ako se kao osnovni energent koristi struja ili gas.

Horizontalne prepreke na istočnoj fasadi

Kako je cena struje u Srbiji trenutno 3-4 puta manja od realne tržišne cene u svetu, svaka analiza ove vrste u Srbiji je još uvek apsurdna jer je njen rezultat očigledan – najefikasnije je grejati se na struju?!

Analiza strujanja

Ono što neki od ovih programskih paketa takođe nude je i tzv. CFD (Computational Fluid Dynamics) – numerička analiza strujanja. Ovaj alat se u projektovanju instalacija prvenstveno koristi za simulaciju strujanja vazduha u prostoru i ima za rezultat raspodelu brzina i temperatura vazduha u prostoru radi npr. postizanja najvišeg nivoa termičke ugodnosti korisnika.

Uz pomoć ovog alata moguće je npr. razmatrati primenu korišćenja prirodne dnevne i noćne ventilacije. Pored toga, CFD se može koristiti i za mnoge druge namene – ali to je već tema za sebe.

Zaključak

Priliku, koju projektanti imaju za poboljšanje energetske efikasnosti novoprojektovanih (ali i postojećih!) objekata, uz pomoć programskih paketa, treba koristiti i promovisati jer omogućuju značajne uštede utroška energije kao i kreiranje prostora koji će biti ugodan za korisnike.

Najavljeno poskupljenja struje, koje će cenu struje približiti svetskom nivou, sigurno je i motiv više. Može se očekivati i od države, da podrži energetski efikasne zgrade, kroz različite vrste olakšica, koje bi zasigurno dovele do masovnije upotrebe ovih programa.

Linkovi:

• Besplatni softveri za 3D modelovanje energetski efikasnih zgrada - na linku ovde