Solárny faktor tvaru

ZHRNUTIE

Článok sa zaoberá možnosťami energetickej hospodárnosti budov v nadväznosti na produkciu skleníkových plynov počas ich výstavby a používania. Zameriava diskusiu na možnosti, ktorými disponujú architekti pri hmotovom návrhu budov, a prehodnocuje pohľad na legislatívne používaný ukazovateľ: faktor tvaru budovy, vypočítaný ako pomer povrchu budovy k jej objemu. Argumentácia sa opiera o nezahrnutie schopnosti povrchu generovať solárnu energiu, ktorá pri výpočte inými, podobnými indikátormi, ako napríklad Entwurfsgütezahl für Solarhäuser (EGZ), nechýba. Legislatívne používanie faktora tvaru tak zaostáva za realitou a výsledkom je len optimalizácia tepelnoizolačných vlastností konštrukcií bez zohľadnenia aktívnych solárnych systémov a uhlíkovej stopy vyprodukovanej pri výstavbe a celkovom užívaní budovy. Súčasnou optimalizáciou obidvoch aspektov tvaru – pre aktívne solárne zisky aj tepelnoizolačné vlastnosti konštrukcií – by tak bolo možné dospieť k ďalšiemu zmenšeniu uhlíkovej stopy. Tým sa vynára otázka, či je možné vytvoriť podobný ekvivalent faktora tvaru, ktorý rovnako jednoducho prepája architektonickú formu aj s potenciálom objektu vytvárať solárne zisky ešte pred zohľadnením efektivity aktívnych zariadení, a teda priamo s energetickou stránkou návrhu.

Článok v úvode objasňuje proces výskumu, ktorý vedie k vytvoreniu dvoch alternatívnych metodík výpočtu, vhodných na podmienky Slovenska, zahŕňajúcich aj chýbajúcu zložku potenciálnych ziskov povrchom telesa. Pre uchopenie obidvoch zložiek článok definuje nový ukazovateľ, solárny potenciál tvaru objektu, vypočítaný ako podiel solárne účinného povrchu objektu (potenciálne zisky) a celkového povrchu objektu (potenciálne straty). Prvá metodika výpočtu je podobne ako EGZ založená na priemetoch, druhá pracuje priamo so simuláciou slnečného žiarenia v programe Grasshopper Ladybug. Tento výpočet je definovaný ako podiel povrchov telesa, preto nezávisí od objemu, ako napríklad faktor tvaru. Porovnaním metodík simulácie a projekcie sa simulačná technika ukázala ako presnejšia.

Ďalšia časť výskumu sa zaoberala vytvorením algoritmu s urýchleným výpočtom solárneho potenciálu založeného na presnejšej metóde simulácií. Takýto nástroj by tak bolo možné použiť na výpočet solárneho potenciálu bez výpočtovej techniky alebo na inak zdĺhavejšiu evolučnú optimalizáciu hmoty. Algoritmus bol zhotovený v definovaných okrajových podmienkach na modelovom kvádri, ktorý predstavoval hmotu budovy s modifikovateľnými proporciami a horizontálnou rotáciou (orientáciou) voči svetovým stranám. Pretože solárny potenciál nezávisí od objemu, modelový kváder mal definovaný príkladný objem 1 000 m3. Urýchlenie a zjednodušenie výpočtu spočívalo vo funkcii potenciálu a orientácie plôch objektu, ktorá vznikla na základe množstva simulácií. Takýmto spôsobom bola obídená zdĺhavejšia simulácia so zachovaním presnosti výpočtu.

Výsledkom výskumu sa tak stáva algoritmus pracujúci s touto funkciou, ktorý v daných modelových podmienkach určuje percentuálne solárny potenciál objektu. Algoritmus bol zostavený z týchto krokov: rozloženie objektu na jednotlivé steny a zistenie čiastkových potenciálov týchto plôch v percentách ich povrchu pomocou spomenutej funkcie potenciálu a rotácie. Súčet týchto čiastkových potenciálnych povrchov stien objektu predstavuje výsledný solárne potenciálny povrch objektu. Konečný ukazovateľ je definovaný ako podiel tohto solárne potenciálneho povrchu objektu a jeho celkového povrchu. Výsledkom výpočtu je tak bezrozmerná percentuálna hodnota. Pomocou tohto algoritmu boli spočítané a vnesené do tabuliek a grafov všetky solárne potenciály možností modelového kvádra. Následne bolo nájdené maximum solárneho potenciálu, teleso s najideálnejšími proporciami, ktoré súčasne optimalizuje potenciálne solárne zisky aj tepelné straty. Nájdené optimum bolo v grafoch porovnané s niektorými dôležitými stavmi telesa (napr. ideál pre faktor tvaru).

Článok ďalej opisuje, ako možno vytvorený algoritmus s danou funkciou použiť aj bez výpočtovej techniky, čím sa stáva široko použiteľný. Ďalšia časť objasňuje jeho použiteľnosť pri evolučných optimalizáciách hmoty objektu, čím sa statická, normatívna hodnota ukazovateľa mení na dynamický nástroj, ponúkajúc automatické zlepšenie hmoty.

Na záver sa článok venuje zmene paradigmy založenej na názoroch, že sme vzhľadom na uhlíkovú stopu dospeli na pokraj únosnosti zväčšovania tepelnoizolačných vlastností stavebných konštrukcií (hrúbky tepelných izolácií, zasklenia). Čoraz väčšmi sa stretávame s otázkou aktívneho prínosu samotnej budovy do jej celkovej energetickej bilancie. Známe sú aj prípady, keď objekt vyrába viac energie, než koľko primárnej energie spotrebuje. Reprezentujú tak modely nezávislosti (ostrovné systémy) a decentralizovanej výroby energie na mieste jej spotreby, čím odpadajú alebo sa znižujú straty vedením. Zlepšenie riadenia a distribúcie solárnej energie vedie k dynamickej kooperácii medzi objektmi bez potreby ukladania tejto energie. Internet vecí tak vytvára systém, kde si viac objektov navzájom automatizovane delí získanú energiu: objekty lokálne bez energie sú zásobované prebytkom z lokálne ziskových. Daný postup dokonca možno predpovedať meteorológiou na účel lepšej integrácie solárneho prúdu do rozvodnej siete – cieľom je tak optimalizácia regulácie rozvodnej siete pri kolísaní zdrojov energie. Ide o narastajúci fenomén virtuálnych elektrární. Do popredia sa stále posúva aj diskusia o zabezpečení kvalitného prostredia v letnom období na rozdiel od vykurovacieho obdobia. Chladiace zariadenia spotrebúvajú viac energie na svoju prevádzku, ako je energia potrebná na vykurovanie, a práve hľadanie nových energetických zdrojov a princípov tvorby môže prispieť k optimalizácii v priebehu ročného cyklu stavby. Jedným z nich môže byť práve aplikácia integrovaných PV systémov do obvodového plášťa budov.

Blížiaca sa zmena paradigmy tak prináša postupné obmedzenie tepelnoizolačných vlastností konštrukcií a zvýšenie efektivity prenosu a využívania „zelenej“ energie s menšou uhlíkovou stopou a ekologickým dosahom. Predpokladá sa, že zohľadňovanie energetickej efektívnosti budov postupne uvoľní miesto kalkuláciám uhlíkovej stopy.