Nástroje pre simulácie energetických požiadaviek pomocou BIM

Ak si predstavíme ideálny stav, tak by mali byť energetické simulácie a nástroje pre BIM projektovanie tak dobre integrované, že zakaždým, keď projektant presunie stenu, pridá okno, alebo zmení špecifikáciu osvetlenia, energetická náročnosť budovy by mala byť okamžite aktualizovaná. S takýmto druhom real-time spätnej väzby by sa projektanti rýchlo stali skúsenými odborníkmi v optimalizácii energetickej účinnosti a nové budovy by sa nezadržateľne rýchlo blížili nielen k nulovej spotrebe, ale aj k uhlíkovej neutralite. Samozrejme, z modelu by sa dali využiť ďalšie dáta a vedeli by sme hodnotiť napríklad ako dobre využívame denné svetlo, aký bude mať vplyv použitý materiál na planétu a aj to, koľko presne stavba bude stáť.

Stratégia 2020

Termíny pre dosiahnutie jednotlivých energetických úrovní v súlade so stratégiou Európa 2020 a nezadržateľne blížia. Budovy, ktoré užívajú a vlastnia orgány verejnej moci musia do 31.12.2018 splniť požiadavky na úroveň A0 a následne pre všetky nové budovy je táto požiadavka záväzná k 31.12.2020. Asi nikto nebude namietať, keď poviem, že spotreba energie má významný vplyv na náklady životného cyklu navrhovanej stavby. Zoberme do úvahy fakt, že od začiatku roka 2016 platia prísnejšie požiadavky na stavby, a to najmä v súvislosti so spotrebou energie a charakteristikou obvodových konštrukcií a už len pár rokov nás delí od dátumu, kedy by sme v súlade so spomínanou stratégiou Európa 2020 mali navrhovať a stavať budovy, ktoré budú spĺňať požiadavky takmer nulovej spotreby energie. Využitie BIM nástrojov môže pomôcť investorovi a projektantovi nielen splniť tieto požiadavky, ale prijímať rozhodnutia spojené s výberom komponentov a materiálov efektívnejšie a tým priamo ovplyvniť budúcu spotrebu energie.

Interoperabilita

Jednotlivé softvérové aplikácie určené pre BIM projektovanie ukladajú informácie primárne v ich natívnych formátoch, čo je nemalá výzva v digitálnom svete stavebného priemyslu. Aby bolo možné sprístupniť informácie všetkým účastníkom projektu počas celého životného cyklu, softvérové aplikácie musia umožniť a zabezpečiť spoľahlivú výmenu dát. Interoperabilita vyjadruje vlastnosť produktu alebo systému komunikovať a pracovať s ďalšími produktmi či systémami bez akéhokoľvek obmedzenia. Tiež by sa dalo povedať, že interoperabilita je schopnosť systému alebo produktu pracovať s inými systémami alebo produktmi bez potreby vynaložiť zvláštnu námahu zo strany používateľa. Platí, že interoperabilné systémy sú schopné navzájom komunikovať a vymieňať si informácie tak, aby nedošlo k ich nekontrolovateľnej modifikácii a strate.

Obrázok 1 Interoperabilita systémov

Je dôležité poznamenať, že proces BIM sa v súčasnosti stále vyvíja, vznikajú nové produkty a technológie a tiež existujú určité obmedzenia v procese odovzdávania informácií medzi BIM aplikáciami. Primárnym obmedzením je, že veľa BIM aplikácií nevie vhodne narábať s informáciami potrebnými pre pokročilé energetické analýzy a rozumne ich zdieľať. Okrem toho súčasná dátová výmena prostredníctvom IFC a XML je nedokonalá a nie vždy spoľahlivá. Ďalším dôležitým obmedzením je, že nie všetky programy sú schopné pracovať s konštrukčnými detailmi, preto musí byť BIM model pred generovaním geometrických informácií na účely energetických simulácií zjednodušený.

Obrázok 2 Analytický model vytvorený z BIM modelu

Rozdielom analýzy energií na báze BIM modelu oproti tradičnému prístupu je, že model nemusí byť manuálne znova prekreslený. Proces prekresľovania geometrie je možné hodnotiť ako neefektívny, nakoľko je náročný na čas a pracovnú silu. Geometria energetického modelu môže byť v prípade BIM modelu vytvorená priamo z už existujúceho 3D návrhu, čím sa proces výrazne zefektívni. Okrem geometrie samozrejme vieme teoreticky čerpať z dátového modelu stavby aj ďalšie parametre a informácie, ktoré sú potrebné pre spracovanie analýzy. Pridanou hodnotou BIM navyše je, že významne mení čas, kedy môže poskytnúť užívateľom možnosť preskúmať rôzne alternatívy energeticky úsporných riešení a posúva ich do ranej fázy návrhu, čo má celý rad výhod.

Pri energetických simuláciách budov sa používajú modely energetickej analýzy (Energy Analysis Models - EAM). EAM je abstrakciou celkovej podoby budovy a jej dispozície do „výpočtovej siete“, ktorá môže efektívne zachytiť všetky kľúčové cesty a procesy prenosu tepla v celej budove. Simulačné nástroje, ako také, umožňujú predpovedať energetickú hospodárnosť budov a stav vnútorného prostredia budovy v čase. Umožňujú taktiež pochopiť prevádzku budov z hľadiska rôznych kritérií a porovnať rôzne alternatívy návrhu. Najbežnejším formátom, ktorý reprezentuje tieto modely je gbXML. Ako som už naznačil vyššie, transformácia dát priamo z informačného modelu na vytvorenie analytického energetického modelu je však dnes až notoricky náchylná k chybám. Je na mieste zdôrazniť, že akékoľvek výsledky simulácií sú natoľko presné ako sú presné vstupné údaje. A tu v súčasnosti narazíme na problém. Väčšina modelov obsahuje konštrukčné chyby, ktoré majú negatívny vplyv na vytvorenie analytického modelu. Možno práve z tohto dôvodu dodnes na Slovensku neevidujeme takto spracovanú energetickú analýzu, ktorá by vychádzala priamo z BIM modelu.

Najmä z dôvodu funkčnosti dátovej výmeny je potrebné sa zaoberať touto otázkou už ranných fázach projektu a projekčný tím musí úzko komunikovať so spracovateľom analýz za účelom optimalizácie tvorby BIM modelu tak, aby analytický model nebolo nutné prekresľovať. Tento implementačný proces je charakteristický intenzívnou spoluprácou, vyžaduje si vysokú úroveň zručností ľudí nielen v podobe komunikácie, ale aj ovládania softvérových nástrojov.

Ďalšou výzvou je, že energetická analýza vyžaduje celý rad vstupov, z ktorých len niektoré sú zahrnuté v typickom informačnom modeli stavby. Energetický model potrebuje okrem spomínanej geometrie napr. aj informácie o umiestnení, o spôsobe prevádzkovania, nastavení TZB systémov, atď. Ďalším príkladom sú parametre pre výpočet denného svetla, ktorý potrebuje ako vstup informáciu o odrazivosti povrchov a tiež prúdenie vzduchu, ktoré je závislé od koeficientu trenia. Tieto dáta však v modeli dnes budete hľadať márne. Väčšina z týchto parametrov, resp. prvkov v architektonickom modeli neexistuje, takže musia byť dodatočne vytvorené. Hoci konštrukčný návrh a energetické simulácie sa týkajú tej istej budovy a vychádzajú z toho istého virtuálneho modelu, pre každý z nich je potrebné vedieť rôzne informácie, takže ich modely sú v zásade úplne odlišné. Je však predpokladom, že časom bude možné tvoriť BIM modely tak, aby sa dali ďalej využiť na zmysluplné energetické simulácie. Každopádne to však nebude práca jedným tlačidlom.