Virtuál és valóság korszerű építészeti tervezés. Az Austrotherm és a Graphisoft konferenciája BME,

Átírás

1 Virtuál és valóság korszerű építészeti tervezés Az Austrotherm és a Graphisoft konferenciája BME, Energia Design Az épületenergetika jövője Prof. Dr. habil Kistelegdi István DLA, Ph.D. Pécsi Tudományegyetem, Szentágothai János Kutatóközpont, Energia Design kutató csoport Virtuál és valóság korszerű építészeti tervezés, Az AUSTROTHERM és a GRAPHISOFT konferenciája, BME, 2018, Energia Design új szemlélet és módszerek az építészeti tervezésben / Prof. Dr. habil Kistelegdi István DLA. Ph.D.

2 Rólunk Építész tanulmányok Würzburg, Kassel, Németország Kutatás München, Németország (Fa kutató intézet, Weihenstephan, München) ClimaDesign Master TU München - Mester: Prof. Dr. Gerhard Hausladen Energy Design professzor, Kutató csoport vezető, Pécsi Tudományegyetem, Szentágothai János Kutatóközpont, Pécs Tulajdonos, ügyvezető, Kistelegdi 2008 Építész-Tervező Kft., Pécs Energia Design Tervező, Fejlesztő és Tanácsadó Kft., Pécs Díjak: Pro Architectura 2017 / Active House Award 2017 / Gábor Dénes Díj 2015 / Csarnok Ngaydíj 2013 Holcim Award 2011 Szenvedélyünk ENERGIA DESIGN 1.0: saját fejlesztésű épület tervező módszer Aktív házak: Épületek,melyek többet adnak, mint vesznek Prototípus épített környezet fejlesztés termikus és aerodinamikai szimulációkkal Megvalósult projektek monitorozása ENERGiA DESIGN 2.0: Optimális épület megoldást kereső matematikai szintézis modell fejlesztése BIM BEM BAM (Building Information Energy Architecture Modeling)

3 Activities Pécsi Tudományegyetem, Szetnágothai János Kutatóközpont Energia Design Kutatócsoport Tervezése és fejlesztés (kutatás)

4 Tevékenységünk Megvalósult épületek Mester projekt PROJEKTEK Science Building Tervek Díjak Épületszerkezetek Energia Design Tanszék Kooperáció Ph.D. oktatás OKTATÁS Workshop Nyári akadémia B.Sc., M.Sc. oktatás Termikus szimulációk Szélcsatorna modell kísérletek CFD Monitoring Smart City Adaptív épület burok KUTATÁS

5 Az ENERGIA DESIGN elmélet kulcselemei

6 Megközelítés attraktivitás attraktivitás komfort komfort

7 Új tervezési faktorok Funkció Geometria Szerkezet Esztétika Épület Klimatika Épület Technológia Épület Energetika Környezet Tudatosság Termikus komfort Vizuális komfort Akusztikai komfort Olfaktorikus komfort Haptikus komfort Helyi időjárás viszonyok Helyi földrajzi viszonyok Épület Bionika Low-tech vernakuláris technológiák High-tech Épület burok Innovatív tervezési módszerek Idő Hőtechnika, energetika Aerodinamika, szellőztetési technológiák Hőtroló tömegek Veszteségek - Nyereségek Energetikai teljesítmény Hidraulika Üzemeltetés Hatékonyság, megtérülés LCA, LCCA Természetes anyagok, szerkezetek Beágyazott Energia és CO2 Ökológiai lábnyom

8 Épület klimatika Szélességi kör Nappálya Szoláris sugárzás Hőmérséklet Pszichometrikus grafikon Szél Klíma analízis 5 jellemző klímazóna Külső: klíma adaptív tervezés Belső: komfort 8

9 Épület klimatika Belső komfort

10 Épület bioika Természetbő transzferálható szerkezeti működésbeli princípiumok és technológiák A bionikai, természetes rendszerek működésének elemzése és megértése után alkalmazzuk a nyert tudásanyagot terveinkben, épületekben.

11 Épület burok Az épület egy olyan organizmus, amely burka a külső és belső tér anyag- és energiacseréjét szabályozza. Ehhez a buroknak a különböző külső klimatikus behatásokra, valamint az épületbelsőből jövő kihatásokra reagálni, változni, az energetikai, ill. komfortigényeket pedig kielégíteni kell. Védelem Szabályozás Alkalmazkodás Érzékiség - Esztétika 1. burok 2. burok 3. burok Védelem Szabályozás Érzékiség - Esztétika Szabályozás Védelem Alkalmazkodás Architektonika

12 Low-tech vernakuláris technológiák Tradicionális építészet magas energia hatékonyságú építéstechnológiáinak alkalmazása Hatékonyság = Input / Output Optimált építés technológiák, üzemeltetés és karbantartás Tradícionális (kultúra, örökség) Fenntartható szerkezetek (helyi, természetes anyagok)

13 Épület energetika Település Épület Helyiség

14 Az ENERGIA DESIGN tervezés technika fogásai

15 Klíma koncepciók: az épület szezonális működésének tervezése klíma zónák passzív szellőztetés passzív megvilágítás passzív-hibrid hűtés hőtároló tömeg gépi szellőztetés geotermika (levegő) geotermika ( sólé )

16 Tervezési módszer (saját fejlesztés) Algritmikus probléma megoldó mátrix Modellezési útvonal: útleírás (roadmap) a feladat meghatározásától a végső eredmény eléréséig Tervező döntési lépései: fejlesztési fokozatok Nyugtázott tervezői lépések dokumentálása: Használati utasítás a tervezéshez ENERGIA DESIGN Roadmap ENERGIA DESIGN know-how: PTE levédette (registered trademark). A licenciát az Energia Design Tervező, Fejlesztő és Tanácsadó Kft. spin-off vállalat hasznosítja EREDMÉNY: Energia-pozitív aktív-házak Adaptív épület szerkezetek Smart cities

17 Vagy egyszerűbben

18 Tervezés támogatás: Szimulációk komfort energia szélcsatorna CFD fény termikus modell aerodinemikai modell fény modell

19 Szimulációk = 4 dimenziós tervezés fotó videó

20 Szimulációkkal támogatott épület + gépészet tervezés Konvencionális tevezés Szimulációkkal támogatott tervezés Tervezési pontatlanság 50% Tervezési pontatlanság 95% Túlméretezés (bizonytalanság) Precíz méretezés (biztonság)

21 Energia-pozitív referencia épület: ipari és iroda létesítmény (RATI Kft.), Komló, 2012

22 2500 m2 hasznos alapterület fűtetlen-hűtetlen raktárcsarnok rész és egy kondicionált főépület rész 3 fehér feszítet ponyva-tányérszerkezettel ellátott üveg- ill. polikarbonát bevilágító torony Venturi - tányérszerkezetei aerodinamikailag optimált széláramlást gyorsító Bernoulli effektus alapján a csarnokból a használt levegőt kiszellőztetik alacsony hőmérsékletű, magas energiahatékonyságú felületi sugárzó rendszer 3 hőszivattyú 100 kw talajszonda mezővel mesterséges szellőzés, keresztáramú lemezes hővisszanyerő kb. 60% 1 km hosszúságú talaj-levegő kollektor (tudomásunk szerint Magyarország leghosszabb rendszere) 10 síkkollektor, 51 polikristályos PV modul 235 Wp (tervezett 420) A projekt 2011-ben még terv állapotban Holcim Awards for Sustainable Construction különdíjat nyert 2013 Csarnok Nagydíj (szakmai zsűridíj és közönségdíj) 2017 Pro Architectura díj

23 Termikus szimuláció operatív hőmérsékletek (animáció) 3rd Oriental Design Forum & 2017 International Symposium on Belt and Road and Oriental Design, Shanghai Simulated Architecture An Approach of Energy Design / Prof. Dr. habil István Kistelegdi DLA. Ph.D.

24 Termikus szimuláció szellőzési légtérfogat áramok (animáció) 3rd Oriental Design Forum & 2017 International Symposium on Belt and Road and Oriental Design, Shanghai Simulated Architecture An Approach of Energy Design / Prof. Dr. habil István Kistelegdi DLA. Ph.D.

25 Termikus szimulációk gépészeti rendszerek

26 Termikus szimulációk eredmények: komfort

27 Termikus szimulációk eredmények: energia

28 Elmélet vs. gyakorlat Autóipar (pár hónak fejlesztési időtartam) Építőipar (pár év fejlesztési időtartam) Termikus szimulációs modell M 1:1 megvalósult modell összehasonlítás

29 MMS - mobile monioring system VAISALA XT 520 meteo station TESTO 6055/ radiation temperature measurement equipment DANTEC anemometer Air flow measurment KIMO CP x vill.fogyasztasmerok LEGRAND LGR04686 TESTO 882 thermo vision camera TESTO 480 multifunctional measurement set Central server (DELL Precision R5500) 4 x National Instruments CompacRIO

30 BMS - building monioring system

31 Elmélet vs. gyakorlat Zóna fűtés LK fűtés Szonad fűtés Összes fűtés Egyezés [%] Összes fűtés mérés Zóna hűtés LK hűtés Szonda hűtés Összes hűtés Egyezés [%] Összes hűtés mérés 2014 Január fűtés (kwh) 2014 Augusztus hűtés (kwh)

32 Iroda (zóna) 2.em operatív hőmérsékletek Mérés Szimuláció

33 Turn on potential - Heating Heating to 22 C, no swich off: 302 kwh, 32 h comfort range Preheating to 25 C, weekend 44 h, then swich off at 0:00: 424 kwh (+29 %), 80 h comfort range! (BKT, TABs, no AHU)

34 Turn on potential - Cooling Cooling to 24 C, no swich off: 533 kwh, 14 h comfort range Precooling to 20 C, weekend 44 h, then swich off at 0:00: 588 kwh (+10 %), 61 h comfort range! (BKT, TABs, no AHU)

35 Ventilation concept: Vernacular wind tower + solar chimney

36 Ventilation concept: Termite nest

37 Ventilation concept: Wind deflector tower top Penguin Aerodynamic quality: drag coefficient cd = 0,03 Boundary layer flow separation Transition of laminar into turbulency after animal Smaller withstand flow acceleretor effect

38 Wind Tunnel model experiments Passive-hybrid ventilation system production hall 4 tower versions to test

39 CFD Visualisation of a pengiune s fluidmechanisc system while swimming: Acceleration of the fluid flow in the boundary laver along the pengiune s belly and back. The ventilation tower of the RATI demonstration building operation principle (CFD simulation). MihályVirtuál Kádár, és Architect valóság korszerű építészeti tervezés, Az AUSTROTHERM és a GRAPHISOFT konferenciája, HarbinBME, University 2018 Energia Design Simulated új szemlélet Architecture és módszerek An Approach az építészeti of Energy tervezésben Design / Prof. Dr. habil Kistelegdi István Kistelegdi István DLA. Ph.D.

40 Objective experience MEASURABLE (simulations) Tasks kwh experience Months

41 East elevation South elevation West elevation

42 Main (north) elevation

43 Production hall

44 Atrium Skylight roof Glass ventilation towers Glass slabs Wood-concrete heating-cooling balustrade prototypes

45 Cafeteria, multi-functional room (presentations, events)

46 Subjective experience NOT Tasks MEASURABLE What are they proud of? (15) Tools Salaries Green Light Space quality (Architecture!) Comfort Products Team games purity Building OEM successes fejlődés planning IT system From Komlo Work result

47 Awards Rehau Regional Reference Award 2012 Holcim Award 2011 Industry hall Grand Prix Award 2013

48 Building as boosting part of marketing

49 1st Hungarian activhouse refurbishment, Pecs, m2 net floor space Complete functional conversion of the indoor space organization Intense thermal insulation (thickness 40 cm) and window refurbishment (3-pane passive house -glazing) Unheated-uncooled garage part and a conditioned dwelling part Roof structure geometry is solar radiation optimized Low temperature surface radiation system with high energy efficiency, Thermal activated adobe plaster and intense internal moisture control Subsequent sealing problems solved by innovative biotechnology Heat pump 8 kw with earth probe system Mechanical ventilation, cross flow pate heat recovery max. 95% 30 m long soil-air heat exchanger collector 1x solar vacuum thermal collector, 12 x polycrystalline PV modules 250 Wp, total 3,5 kwp 1970

50 1st Hungarian activhouse refurbishment, Pecs, 2015

51 4 model versions renovation zebra 2 generation Eco-tower (Reborn home)

52 4 model versions 3d energy and comfort modells renovation zebra 2 generation Eco-tower (Reborn home)

53 4 model versions final energy demand (kwh/m 2 a) 392,66 334,10-33% +17% 223,12 221,07 2 generation renovation Eco-tower (Reborn home) zebra KÉTGENERÁCIÓ FELJÍTÁS ÖKO-TORONY ZEBRA

54 East elevation

55 Kithchen and entrance (ground floor)

56 Living room and masonry heater (ground floor)

57 Bath and bedroom (1st floor)

58 Bath and bedroom (1st floor)

59 Solar chimney: skylight and ventilation

60 User satisfaction feedback Very pleasant daylight situations (good mood ) Tair, room = 19 ºC, however feels like ºC

61 Active House Award 2017

62 Monitoring validation of the thermal model

63 [ C] [ C] [ C] Air temperature ground floor bath 4 model versions final energy demand (kwh/m 2 a) 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 Mért hőmérséklet Stunden 1 month Szimulált hőmérséklet 22,5 21,5 20,5 19,5 18,5 Air temperature ground floor liviing room 22, , , , ,5 Measurement Nappali léghőmérséklet BMS Stunden 1 month Simulation Nappali léghőmérséklet IDA Air temperature ground floor kitchen Stunden 1 month Mért hőmérséklet Szimulált hőmérséklet

64 Final energy [kwh] balance 5 month simulations and measurement time interval Világítás + Berendezések + HVAC enegia Napelem energia Fűtés+ HMV energia PV PV production Light + Equipm.+ Equipm. Ventilation consumption Heating + DHW Lighting consumption SZIMULÁCIÓ Simulation MÉRÉS Measurement

65 Final energy balance Invoices from supplier [kwh]

66 Final energy [kwh] balance Invoices from supplier Total 367 Old - Gas [kwh/a] Old - Electricity [kwh/a] PV Old - total [kwh/a] Refurbished - Electricity [kwh/a] Lighting + Equipment + Pumps + Ventialtor Heating + DHW (Geothermal Heatpump) [ÉRTÉK] Refirbished - PV Electricity [kwh/a] Refurbished - total [kwh/a] Total DHW + Lighting + Equipment Heating (Gas boiler)

67 Final energy [kwh] balance Invoices from supplier Total PV Lighting + Equipment + Pumps + Ventialtor Heating + DHW (Geothermal Heatpump) Total DHW + Lighting + Equipment Heating (Gas boiler) 367 kwh 0! Old - Gas [kwh/a] Old - Electricity [kwh/a] Old - total [kwh/a] Without equipment: energy+ Refurbished - Electricity [kwh/a] Refirbished - PV Electricity [kwh/a] Refurbished - total [kwh/a] With [ÉRTÉK] equipment, less cooking : energy savings according to literature): With equipment, more cooking but with BMS fine tuning (20-40% energy+

68 Demonstration building, Energy center, Paks, 2016

69 Demonstration building, Energy center, Paks, m2 net floor space Prototype: adaptive system consists of 3 parts, which adapt themseves to changing climate boundary conditions 1st Hungarian adobe offiece building Interior is able to extend with a slideable thermal insulated building envelope that changes its posotion in diverse seasons alongside the building body Adobe office building with stationary exhibitions and sanitary rooms: in heating periode the moving skin protects against heat loss Glass house for temporary exhibitions, events: in heating periode serves as air-collector, in cooling season shaded by the skin 3. section: canopied terrasse in transition seasons with canopy building skin (loggia) winter summer transition

70 Sketch plan versions thermal modells

71 Sketch plan versions thermal modells 1 6 (results kwh) Kerengő 02 Négyzet 03 Minimum Heating 04 Mini Opti 05 Kétszintes 06 Adaptív 06 Adaptív - Least Cooling 01 Kerengő 02 Négyzet 03 Minimum 04 Mini Opti 05 Kétszintes 06 Adaptív 06 Adaptív - Least Heating + Cooling + Ventilation 01 Kerengő 02 Négyzet 03 Minimum 04 Mini Opti 05 Kétszintes 06 Adaptív 06 Adaptív - Least Heat + Cool + Vent + Light 01 Kerengő 02 Négyzet 03 Minimum 04 Mini Opti 05 Kétszintes 06 Adaptív 06 Adaptív - Least

72 Entrance terrace with slidable building skin as a canopy roof

73 Glasshouse multi-event hall, entrance terrace without slidable canopy

74 1st Hungarian adobe office building with slideable thermal insulation building skin

75 Slideable building skin Gallery, 1st floor, adobe office building (exhibitions)

76 3 parts: 1. adobe office building, 2. glass multi-event hall, 3. terrace with slideable building skin

77 Award for Energy Design theory and practice Dennis Gabor Award 2015

78 Thank You Prof. Dr. habil István Kistelegdi DLA, Ph.D. Mobile Research professor at University of Pécs Faculty od Engineering and Information technology János Szentágothai Research Center Owner and CEO of Kistelegdi 2008 Architecture-Design Ltd., Pécs Owner and CEO of Energia Design Planning, Developing and Consulting Ltd., Pécs Mihály Kádár, Architect Klímastratégia II. Konferencia Záró rendezvény, Kiskunfélegyháza Harbin Városháza, University 2017 Simulated Architecture Energia Design An Approach Az épületenergetika of Energy Design jövője / Prof. Dr. habil István Kistelegdi Kistelegdi István DLA. Ph.D.