Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 DEnzero 2014/11. Debrecen 2013. január 1. 2014. december 31.
Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 1. HATÉKONYSÁG-MAXIMALIZÁCIÓ AZ ÉPÜLETENERGETIKÁBAN Jelen kiadványunkban bemutatásra kerül a DEnzero projekt keretében végzett alapkutatási tevékenység központi elemének tekinthető épületenergetikai szakértői rendszer egy lehetséges gyakorlati alkalmazása. Az innovatív, jövőt előre vetítő technológia tudományosan megalapozott eljárásokra építve képes számottevő hatékonyságnövekedést eredményezni a lakó- és középületek felújításának jelenlegi gyakorlatához képest. Célunk, hogy közérthető nyelvezet alkalmazásával, röviden, informatív módon mutassuk be a megvalósított, magas szintű matematikai és informatikai fejlesztések társadalmi hasznosíthatóságát. A kutatások során olyan eljárások kidolgozására fókuszáltunk, amelyek egy későbbi fázisban megvalósításra kerülő kísérleti fejlesztést követően, könnyedén átültethetőek a hétköznapi szakmai gyakorlatba. Fő alapelvnek tekintettük az erőforrások lehető legnagyobb mértékű, vagyis optimális kihasználását. A véges gazdasági, energetikai, környezeti erőforrásokkal való felelősségteljes gazdálkodás szükségszerűvé teszi ezen erőforrások maximális kiaknázását. Ez az alapelv sarkalatos pontjává vált annak a szektornak, amely a legnagyobb mértékű energiafogyasztást generálja. Az épületek üzemeltetését magában foglaló szektor a teljes hazai primer energia felhasználásának 40%-áért felelős. Az elért eredmények gyakorlati relevanciájának demonstrációja céljából bemutatunk egy javasolt munkafolyamatot, mely egyszerűségénél fogva probléma-mentesen integrálható a megszokott mérnöki gyakorlatba. A háttérben működő algoritmusok lehetővé teszik, hogy az adott földrajzi, gazdasági, technikai keretek között a hazai szabályozási rendszernek megfelelően maximalizáljuk a hatékonyságnövekedést, és a jelenleg elérhető szakmai színvonalhoz képest ténylegesen optimális eredményeket adjunk. Ennek megfelelően a 2. fejezetben bemutatunk egy lakóépületet, melynek felújítási sarokpontjait a 3. fejezetben pusztán mérnöki módszerekkel, míg a 4. fejezetben a kifejlesztett algoritmusok által támogatva határozzuk meg. Az 5. fejezetben összehasonlító elemzésben tárjuk fel a két megközelítés közötti különbségeket. A kiadvány 6. fejezetében a technológia további lehetséges alkalmazási területei kerülnek bemutatásra. 1. ábra: A vizsgálat tárgyát képező lakóépület.
DEnzero TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 2020 2. A FELÚJÍTANDÓ CSALÁDI HÁZ A felújítás tárgyát képező családi ház (1. és 2. ábra) két szakaszban épült. Az első épületrész 1972-1974 között épült B30 blokktéglából. A pincefödém Horcsik-födém, a fa fedélszerkezet szarufái között 15 cm hőszigetelés található. A nyílászárók kapcsolt gerébtokos és egyesített szárnyú ablakok. A második épületrész 1992-ben épült 38 cm Porotherm N+F téglából, a pincefödém 18 cm monolit vasbeton födém, 5 cm hőszigeteléssel. A fa tetőszerkezet rétegelt-ragasztott, íves gerendái között 15 cm hőszigetelés van. A nyílászárók SOFA típusú kétrétegű hőszigetelt ablakok. A fűtést a két épületrészben külön rendszer biztosítja. A régi épületrész alatti pincében fatüzelésű kazán állítja elő a fűtési energiát, míg az 1992-ben bővült lakótér fűtését és melegvízellátását állandó hőmérsékletű gázkazán szolgáltatja. 1. ábra: A vizsgálat tárgyát képező lakóépület földszinti alaprajza. 3. A FELÚJÍTÁS TERVEZÉSE MÉRNÖKI MÓDSZEREKKEL A mérnöki tervezés első lépéseként egyszerűsített energetikai számítással meghatároztuk a lakóépület energiaigényét a 7/2006 TNM rendelet szerint. Az összesített primer energetikai jellemző 230,45 kwh/m2év (a követelményérték 136%-a), az energetikai besorolás E kategória. A felújítás tervezésénél arra törekedtünk, hogy elsősorban a legnagyobb hőveszteség-tényezőjű épületszerkezetek szigetelésével érjünk el minél nagyobb energia- és költségmegtakarítást. Az épületek energiahatékonyságáról szóló 2010/31/EU irányelv tartalmazza a lakóépületek felújítására vonatkozó költségoptimalizálási előírásokat, amelyek alapján meghatároztuk az egyes felújítási megoldásokhoz tartozó globális költséget, így az adott hőszigetelés vastagság beépítésének költségeit és a következő 30 évre mely időszak alatt nem szükséges további felújítás számított fűtési kiadásokat. A számítás eredményeit a 3. ábra szemlélteti, melyen a régebben épült épületrész homlokzati falán elhelyezett hőszigetelés hatása látható. A görbék lefutásából adódóan egy bizonyos hőszigetelés vastagság beépítése esetén létezik egy minimális költség,
Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 melynél vastagabb hőszigetelés beépítése az adott feladat esetén nem gazdaságos. A bekeretezett szimbólumok jelzik a szerkezeti elemekre vonatkozó minimális globális költséget. A fenti vizsgálatot a lakóépület újabb épületrészének homlokzati fala, a pincefödém, a lábazat, a fűtött terek fölötti terasz, stb. esetén is elvégeztük, 2-4 féle típusú hőszigetelő anyag figyelembe vételével. A hőszigetelés mellett a nyílászárók cseréjét és a gépészeti rendszerek korszerűsítését is számításba vettük. Végül összeállítottuk a globális költség szempontjából optimálisnak tekintett felújítás-csomagot. A beruházással a harminc évre számított kiadások 30%-kal csökkennek, és az épület összesített primer energetikai tényezője 114,76 kwh/m2év (mely a követelményérték 68%-a), így az A energiatakarékos kategóriát érjük el. 2. ábra: A homlokzati hőszigetelés globális költségfüggvénye. 4. A FELÚJÍTÁS TERVEZÉSE GÉPI OPTIMALIZÁCIÓVAL A DEnzero projekt során kifejlesztett gépi algoritmusok hatékonyságának demonstrá-ciója céljából elvégeztük a 2. pontban bemutatott épület felújításának gépi optimalizációval támogatott tervezését. Az eredmények összevethetősége végett a főbb tervezési szempontokat nem változtattuk a 3. fejezetben szereplő mérnöki tervezéshez képest. A felújítás során mind a mérnököknek, mind a gépi algoritmusnak 14 szigetelés és 23 nyílászáró jellemző paraméterit kellett számszerűen meghatározni. A szigetelések két valós számmal (típus, vastagság), míg a nyílászárók egy valós számmal (típus) kerültek jellemzésre. Így, az adott épület felújítása megfeleltethető egy 51 dimenziós téren definiált szélsőérték probléma megoldásával. A tervezés során felhasználható anyagok paraméterei, ára, valamint a munkaerőköltségek mindkét esetben azonos adatbázisból származnak.
DEnzero TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 2020 A 4. ábrán a szakértői rendszer egyik kimenete látható. A rendszer a felújítási költség függvényében automatikusan határozza meg az optimalizált fűtési és globális költségeket. A megtakarítások érzékeltetése céljából piros vonallal ábrázoljuk a kiinduló épület életciklusra vetített fűtési költségét, melynek értéke 63 264 EUR. Az ábráról leolvasható, hogy a globális költségfüggvény minimuma 13 199 EUR felújítási költségnél található. A kapcsolódó fűtési és globális költségek az 1. táblázat 6. sorából olvashatóak ki. Az épület költségmegtakarítási potenciálja, a kiinduló épület C_I^G fűtési költségének és a C_O^G költség-optimális globális költségének különbsége: Az alkalmazott modell keretei között nem létezik olyan felújítás, mely ennél az összegnél magasabb globális költség megtakarításához vezetne életciklus szinten. 4. ábra: A beruházási költség (szürke), az optimalizált fűtési (zöld) és globális (kék) költségek a felújítási költség függvényében. Kör alakú szimbólum: mérnöki számítás. Négyzet alakú szimbólum: költség-optimális gépi számítás. A piros vonal a kiinduló épület életciklusra vetített fűtési költségét reprezentálja. A szimbólumokhoz tartozó számszerű értékeket az 1. táblázat tartalmazza. 5. A MÉRNÖKI ÉS A GÉPI FELÚJÍTÁS HATÉKONYSÁGA Egy felújított épület hatékonyságát a szakmai gyakorlatban számszerűsítendő, az elért megtakarításokat a költségmegtakarítási potenciálhoz viszonyítjuk, definiálva a felújítási hatékonyság és a bennragadt potenciál fogalmát. Egy C_R^G összköltségű felújítás hatékonysága alatt a költségmegtakarítási potenciálból kinyert hányadot értjük:
Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 1. táblázat: Beruházási, üzemeltetési és globális költségek az 1-6. felújítási tervezetekre. A mérnöki tervezés szub-optimális mértékét a bennragadt potenciál jellemzi: A felújítási hatékonyság és a bennragadt potenciál természetesen adódó összevetését eredményezi a mérnöki és a gépi optimalizáció által elért hatékonyságnak. Az összehasonlítást négy mérnöki (1-4. tervezet), és két gépi (5. és 6. tervezet) felújítás alapján végezzük. Az egyes tervezetekhez kapcsolódó költségeket az 1. táblázat, míg a hatékonyságok és bennragadt potenciálok számszerű értékét a 2. táblázat tartalmazza. A költség-optimális globális költség- függvény minimumát leginkább a 4. számú mérnöki tervezés közelíti meg 18 911 EUR felújítási költséggel. A hasonló mértékű, rögzített költségű (18 893 EUR) gépi felújítás szolgáltatja az 5. tervezetet. A költség-optimális globális költség- függvény (4. ábra, kék görbe) minimumát a gépi felújítás által eredményezett 6. tervezet szolgáltatja. Az eredmények szemléltetése céljából a 4. ábrán szimbólumok jelenítik meg az 1-4. és a 6. tervezetet. A telt körök a mérnöki, míg a négyzetek a gépi tervezés eredményét reprezentálják. Az 5. ábrán a felújítási, fűtési és a globális költségek arányai láthatóak. A 4. ábráról leolvasható, hogy a felújítási költségkeret növelésével a mérnöki tervezés által elért globális költség megközelíti a gépi tervezés által szolgáltatott optimális görbét. Bár a legnagyobb, 82% hatékonyságú mérnöki tervezés által eredményezett 18% bennragadt potenciál mérnöki szempontból ugyan jónak tekinthető, a hasonló költségű gépi tervezés harmadolja az így nyert bennragadt potenciált (6%). A 2. táblázat alapján a 4. és az 5. tervezetek között 2 235 EUR globális költségkülönbség prognosztizálható, mely hozzávetőlegesen 10%-a a kb. 19 000 EUR értékű felújítási költségnek. Ez a számítás alátámasztja a gépi tervezés magasabb hatékonyságát a tisztán mérnöki tervezéssel szemben. Amennyiben a legnagyobb hatékonyságú mérnöki tervezést a költség-optimális gépi tervezéssel vetjük össze a különbség még inkább szembeszökő. A gépi tervezés definíció szerinti 0%-os bennragadt potenciálja áll szemben a mérnöki tervezés 18% értékével, ami a megtakarítási potenciál közel ötöde. Megtakarított globális költséget tekintve ez 3 344 EUR előnyt eredményez a gépi felújítás javára. További lényeges szempont, hogy a gépi optimalizáció ezt a hatékonyságot 5 712 EUR alacsonyabb felújítási költség esetén biztosítja, ami lényegesen kevesebb terhet ró a kivitelezést finanszírozó családra. 4. A FELÚJÍTÁS TERVEZÉSE GÉPI OPTIMALIZÁCIÓVAL A 4. fejezetben bemutatott tervezést támogató eljárás elsődleges alkalmazási területe a lakó- és középületek költség-optimalizált felújítása és üzemeltetése. A technológia által realizálható erőforrás-megtakarítás mind nemzetgazdasági, mind a háztartások szintjén számottevő mértéket ölthet, amennyiben kihasználása szervezett keretek között zajlik. Erre teszünk javaslatot az alábbiakban.
DEnzero TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 2020 Energiahatékonysági pályázatok Az optimalizáción alapuló, tervezést támogató eljárások a hazai és nemzetközi, lakásfelújítást támogató pályázati rendszer két kulcsfontosságú pontján is lehetővé teszik a rendelkezésre álló anyagi erőforrások hatékony kihasználásának növelését. Egyrészt, a célzott épületállomány alapvető tulajdonságainak statisztikai jellegű ismeretét feltételezve, a pályázati konstrukciót megalkotó szervnek lehetősége nyílik megbecsülni a megvalósítás várható hatásait. Igény esetén a pályázati paraméterek értékei egy iteratív procedúra alkalmazásával finomhangolhatóak. Cél az olyan paraméterezésű pályázatok kiírása, amelyek megvalósulásukat követően a technikailag lehetséges legnagyobb mértékű kumulált hatékonyságnövekedést eredmé-nyezik a rendelkezésre álló pályázati keret felhasználásával. A pályázati konstrukciók kiírását követően fontos szempont a beérkező pályaművek szakmai szűrése. Szükséges elkerülni a gyenge minőségű, alacsony hatékonyságú felújítást célzó tevékenységek támogatását. A folyamat nagymértékben automatizálható az optimalizáció által kínált kifinomult eszközkészlet alkalmazásával. Hitelkonstrukciók kockázatcsökkentése Az épületenergetikai optimalizáció alkalmazása új konstrukciók kidolgozásának a lehetőségét teremti meg a lakásfelújítások hitelezésének piacán. A felújítani kívánt épület költségmegtakarítási potenciáljának ismeretében lehetőség nyílik az alacsony hatékonyságú felújítást célzó hitelkérelmek automatikus szűrésére. Ezen túlmenően, az épület energetikai tanúsítványa alapján javaslatok adhatóak a támogatott felújítás hatékonyságának maximalizálása céljából. Az eljárás előmozdítja a felújítást követő fűtési költség csökkenését. A háztartásban következésképpen realizálódó nyereség hozzájárul a törlesztő részletek szerződésszerű kifizetésének elősegítéséhez. A lakosság energiatudatos gondolko-dásmódját tovább erősítheti a hitelintézetek által meghatározott kamatterhek dinamikus, a célzott hatékonyságnövekedés mértékétől függő kialakítása. Amennyiben a díjmentesen szolgáltatott energetikai elemzés szerint a hitel kérelmezője a költségmegtakarítási potenciál értékéhez közeli hatékonyságnövekedést hajlandó megvalósítani, úgy a járulékos kamatterhek arányosan csökkenthetőek. Energiatanúsítványok készítése Az energiatanúsítványok kötelező eleme a javaslattétel. Ennek keretében a tanúsítók javaslatot tesznek az épület energiahatékonyságának javítására, valamint az így elérhető kategóriára. Jelenleg ez a kötelezettség nincs pontosan definiálva, ezért a készülő javaslatok esetenként felszínesek, tartalmatlanok. Az épületenergetikai optimalizáció rendszeresített alkalmazásával nagy hatékonyságú megoldásokra adhatnak megalapozott javaslatokat a tanúsítást végző szakemberek. Az épületinformatikai munkacsoport munkatársai: Balázs János, Botzheim János, Bulla Miklós, Csík Árpád, Fehér Zoltán, Formanek László, Hontvári József, Ivánkovics Nóra, Kegyes-Brassai Orsolya, Molnár Martin, Seprődi-Egeresi Márta, Szász Anna, Tóth Péter, Tóth Tamás, Triesz Péter. Az épületinformatikai munkacsoport az alábbi személyeknek kíván köszönetet nyilvánítani a DEnzero projekt megvalósítása során nyújtott közreműködésükért: Csoknyai Tamás, Stefler-Hess Nóra, Szalay Zsuzsa, Váraljai Eszter.
Fenntartható energetika megújuló energiaforrások optimalizált integrálásával (DEnzero) TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 2. táblázat: Megtakarítás, hatékonyság és bennragadt potenciál az 1-6. felújítási tervezetekre. 5. ábra: Beruházási költség (kék) és üzemeltetési költség (piros: mérnöki számítás, zöld: gépi számítás). A számszerű értékeket az 1. táblázat tartalmazza. A kiadványt összeállította: Csík Árpád és Szalay Zsuzsa. A bemutatott épület felújításának mérnöki eszközökkel történő tervezését, illetve az 1. ábrán látható fényképek készítését Váraljai Eszter végezte. A borítón Tarkó Edit, Stefler-Hess Nóra és Seprődi-Egeresi Márta által tervezett épület látványrajza látható. Az épületenergetikai optimalizációval kapcsolatban további információ a következő email címen érhető el: Csík Árpád, DEnzero.SZE@gmail.com Európai Szociális Alap BEFEKTETÉS A JÖVŐBE