Doba řešení: 2019 – 2022

Program: Národní centra kompetence

Poskytovatel: Technologická agentura ČR

Účastníci projektu: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, výzkumné centrum AdMaS (VUT AdMaS), Subtech s.r.o, GEOtest a.s..

Představení projektu

Směřování naší společnosti k budovám s téměř nulovou spotřebu energie (NZEB) vyžaduje aplikaci obnovitelných zdrojů tepla a chladu, které budou dostatečně ekonomicky efektivní, aby se prosadily v praxi. Tento potenciál má systém využívání tepla a chladu země pro vytápění a chlazení budov prostřednictvím tepelně-aktivovaných základových pilot – tzv. energopilot. Vybavením základových pilot potrubím s kapalinovým okruhem, umožňuje, za malých nákladů, využívat výhodnou a časově poměrně stálou teplotu zeminy a v kombinaci s tepelným čerpadlem dosahovat vysokých topných a chladicích faktorů v porovnání s jinými zdroji energie. Energetickou výtěžnost a ekonomickou efektivnost pro dané základové podmínky je třeba navrhnout a posoudit individuálně ve vazbě na typ budovy a způsob jejího provozování. K tomuto účelu je třeba vytvořit numerický model přenosu tepla v energopilotách a okolní zemině, spojit jej s modelem budovy a jejich energetických systémů a aplikovat vhodné optimalizační metody. Prosazení enegopilot v ČR omezují, mimo jiné, obavy statiků, protože tepelná aktivace energopilot ovlivňuje stavebně-mechanickou funkci základových pilot a to zejména jejich teplotní roztažností, která negativně ovlivňuje plášťové tření a může tak snižovat jejich únosnost a použitelnost. Pro posouzení tohoto vlivu je třeba provést počítačové simulace a experimentální měření mechanicky a tepelně zatěžované piloty, dosažené výsledky zpracovat do návrhového softwaru, který bude pomůckou odborníků na statiku budov.

Průběh řešení

Pracovní verze softwaru pro mechanicko-teplotně namáhané piloty

Výsledky projektu

Realizované:

1. Funkční vzorek – ZFMEpilota 1.0

Funkční vzorek byl navržen v rámci řešení projektu „Optimalizace energopilot pro využití energie země“ (TA ČR, TN01000056/06). Jde o experimentální zařízení, které je určeno pro testování osamělých osově zatížených energopilot v laboratorních podmínkách. Pro simulaci napjatosti v okolí piloty slouží zatěžovací kužel spolu s tlakovou soustavou. Pro simulaci teplotního (+5 °C – +40 °C) namáhání je systém doplněn o teplotní soustavu (změny teploty lze simulovat přes samotnou pilotu, přes podstavu kuželu anebo pomocí trubkového tepelného výměníku instalovaného uvnitř modelu). Funkční vzorek je navržen za účelem zhodnocení vlivu změn teploty v okolí energopiloty na její svislou únosnost.

Plánované:

2. Software pro stavebně-mechanické posouzení tepelně zatížených energo-pilot (v současné době je vyvinuta verze EpMPF 1.0).

Software EpMPF 1.0 umožňuje analyzovat osově zatíženou velkoprůměrovou pilotu v těchto modulech:

a) Modul Mechanické zatěžování (MZ) – pilota je zatěžována silově v hlavě piloty. Na základě metody přenosových funkcí je sestrojena mezní zatěžovací křivka (dále jen MZK) pro pilotu jako celek (pata + plášť) a samostatně pro patu.

b) Modul Teplotní zatěžování (TZ) – zde je pilota zatěžována pouze změnou teploty (zahřívání nebo ochlazování). Předpokládá se volná hlava piloty. Algoritmus dohledává formou iteračního cyklu pozici nulového bodu (dále jen NB), ve kterém jsou svislý posun piloty a tudíž mobilizované plášťové tření nulové. Finální poloha NB je determinována silovou podmínkou rovnováhy segmentů nacházejících se nad a pod.  V startovacím kroku iteračního cyklu pro nalezení  je průběh sil symetrický a pozice  v polovině délky piloty, jelikož se zde nepředpokládá mobilizace napětí na patě. V dalších krocích je již stanovováno napětí na patě, což vede k postupnému posunu nulového bodu a tím k úpravě mobilizovaného plášťového tření a tedy postupné redukci nevyrovnané síly (chyby výpočtu). Výstupem tohoto modulu je průběh osové síly, osového posunu a mobilizovaného plášťového tření podél piloty pro definovanou změnu teploty ΔT.

c) Modul Mechanicko-teplotní zatěžovaní s předepsaným zatížením v hlavě piloty (MTZ) – zde je řešen stav, kdy je pilota zatížená kombinací mechanického zatížení (síly) v hlavě piloty a monotónní změnou teploty piloty. Při zvýšení teploty dochází v úseku nad NB v důsledku teplotní roztažnosti piloty k opačnému posunu než při mechanickém zatížení. Zemní prostředí na rozhraní pilota – zemina je tedy v režimu odtížení – poklesu plášťového tření. Naopak, při snížení teploty je v tomto režimu úsek piloty pod NB.  Pro zahrnutí tohoto jevu byly původní nelineární přenosové funkce (Bohn et al., 2016) doplněny  o lineární segment odtížení. Pro vybrané zatížení v hlavě piloty je výstupem tohoto modulu aktualizované posunutí v hlavě piloty vlivem dodatečného teplotního zatížení, průběh osové síly, svislého posunu a mobilizovaného plášťového tření podél piloty. Všechny výstupy jsou sestavovány ve dvou variantách: bez a s vlivem změny teploty z důvodu lepší analýzy odezvy analyzované konstrukce zatížené dodatečným teplotním zatížením.

d) Modul Mechanicko-Teplotní zatěžování s předepsaným posunem v hlavě piloty (MTZ, NB=0) předcházejícího modulu je vhodné v  případech, kdy je zatížení v hlavě piloty konstantí a v důsledku teplotního zatížení není bráněno posunu v hlavě piloty. Příkladem takovéto situace je silově řízená statická zatěžovací zkouška, kdy hydraulický agregát kompenzuje změnu posunu v hlavě piloty a udržuje konstantní zatížení. V případě systémových pilot je však dodatečnému posunu v hlavě piloty bráněno horní stavbou. Aplikace byla proto doplněna o čtvrtý modul, ve kterém je pozice nulového bodu fixována v hlavě piloty. Pro vybrané mechanické zatížení je stanoven posun v hlavě piloty, při zatížení změnou teploty zůstává hodnota pousnu v hlavě konstantní (NB v hlavě piloty) a mění se síla/reakce. Pro vybrané mechanické zatížení je výstupem tohoto modulu aktualizovaná síla/reakce v hlavě piloty vlivem dodatečného teplotního zatížení, průběh osové síly, svislého posunu a mobilizovaného plášťového tření podél piloty. Všechny výstupy jsou sestavovány ve dvou variantách: bez a s vlivem změny teploty z důvodu lepší analýzy odezvy analyzované konstrukce zatížené dodatečným teplotním zatížením.