Rozmowa z Piotrem Bartkiewiczem, wykładowcą Politechniki Warszawskiej specjalistą w zakresie oprogramowania inżynierskiego oraz wdrażania systemów komputerowego projektowania 

 Piotr Bartkiewicz

Jakie jest – mówiąc najogólniej – miejsce i zadanie symulacji i modelowania w procesie inwestycyjnym?

Piotr Bartkiewicz: Symulacje pozwalają opisać te zjawiska, których nie sposób scharakteryzować prostymi równaniami, wystarczającymi do wymiarowania instalacji oraz umożliwiają przewidywanie działania zaprojektowanego budynku z wybranymi systemami. Żeby osadzić symulacje i modelowanie w procesie inwestycyjnym, skonfrontujmy je z tradycyjnym projektowaniem – korzystając z programów obliczeniowych wspierających projektowanie wymiarowaliśmy zapotrzebowanie, dobieraliśmy urządzenia, umiejętnie je łączyliśmy, określając strumienie, przepływy, moce, etc. W wyniku takiego podejścia otrzymywaliśmy oczekiwany wynik – projekt, przekazywany później do inwestora. Dla inwestorów, nazwijmy to roboczo, bardzo osadzonych w warunkach polskich przez co nastawionych na cenę projektu, takie podejście wystarczało. Jednak jeśli chcieliśmy w pełniejszy sposób opisać odpowiedzi budynku na konkretne wymuszenia czy choćby same zyski ciepła od słońca – np. z „nieco” dokładniejszym uwzględnieniem akumulacyjności w przegrodach – okazywało się, że należy sięgnąć po metody, które pozwalają symulować zjawiska cieplne i przepływowe w budynku oraz odpowiedź instalacji. Zwiększenie precyzji pozwalało także na opis działania poszczególnych instalacji lub np. systemu automatyki.

Co najważniejsze, symulacje dają odpowiedź, jak projektowany budynek wraz z systemami będzie działał na wyższym poziomie szczegółowości i to na poziomie konkretnych danych – liczb. Nadal mówimy o prognozie, niemniej wykorzystującej konkretniej wartości, a nie tylko opisy. Słowem możemy przewidywać wartość zużywanej przez systemy energii, a nie tylko ograniczać się do pojęć „energooszczędne”. I tu pojawia się to kluczowe pytanie:

– czy inwestor jest zainteresowany tym, by dowiedzieć się, jak coś będzie działa

Prawdziwa odpowiedź na to pytanie sugeruje, dlaczego na początku wdrożeń symulacje były postrzegane jako produkt z wyższej półki.

Symulacje dają odpowiedź, jak projektowany budynek wraz z systemami będzie działał na wyższym poziomie szczegółowości i to na poziomie konkretnych danych

Którzy inwestorzy i w jakich okolicznościach byli pierwszymi zainteresowanymi?

PB: Pojawienie się symulacji było fantastycznym narzędziem dla budynków nietypowych ze specjalną, nietypową technologią, z wyrafinowanymi i wysoko postawionymi wymaganiami lub też z oczekiwaniami inwestora tak skonstruowanymi, że wymiarowanie już nie wystarczało. W nietypowych rozwiązaniach, szczególnie kiedy ryzyko i odpowiedzialność były wysokie, inwestor był gotów ponieść dodatkowe koszty rozszerzenia dokumentacji projektowej o symulacje, ponieważ wiedział, że błąd popełniony na etapie projektowania może skutkować dużymi problemami – technicznymi, ale przede wszystkim finansowymi. Symulacje były naturalną pomocą, próbą zmniejszenia ryzyka technicznego i deklaracją projektanta, że wykorzystał najbardziej zaawansowane dostępne techniki, aby owo ryzyko zmniejszyć.

W taki właśnie sposób – poprzez świadomych inwestorów, gotowych zapłacić za rozszerzenie zakresu typowego projektu, i wspomagających ich odpowiedzialnych projektantów – symulacje weszły do kanonu projektowania i wkrótce zaczęły się rozpowszechniać.

Jakie były główne powody rosnącej popularności symulacji? Czy tylko „wzrost świadomości inwestorów”?

PB: Z pewnością po części tak, ale nie tylko. Okazało się, że tradycyjne podejście rozszerzone o modelowanie budynku wraz z systemami porządkuje informację na etapie projektowania. Dostrzeżono tzw. problem „interoperability”, czyli konieczności wielokrotnego wpisywania tych samych danych na kolejnych etapach obliczeń i wymiarowania systemów. W tym przypadku ułatwieniem staje się stworzenie modelu geometrycznego – czyli de facto jednokrotne wpisanie danych, które i tak wprowadza się do wielu programów np. liczących zyski ciepła, straty ciepła, dobierających nawiewniki itp. Skoro model budynku jest gotowy, naturalnym staje się uzupełnienie go o proponowany system HVAC, a następnie podanie danych meteorologicznych, które pozwolą na symulację zachowania budynku w warunkach rzeczywistych. Kiedy programy zaczęły spełniać tę podwójną rolę, prowadzenie symulacji okazało się łatwiejsze i tańsze dla projektantów. I to był pierwszy powód, dla którego symulacje stały się popularne.

Drugim powodem były wymogi prawne, stawiane np. w zakresie charakterystyki energetycznej budynku. Przygotowana w 2001 roku dyrektywa EPBD była powiedzeniem wprost: stawiając budynek, powinniście zrobić symulację jego zachowania, określić jego charakterystykę energetyczną, wykorzystując precyzyjniejsze dane, np. godzinowe. Był to moment, w którym środowisko branżowe związane z symulacjami mocno uwierzyło, że wymogi dyrektywy wymuszą powszechne stosowanie symulacji. Branża już wtedy była przygotowana do ich prowadzenia, barierą był opór inwestorów. Oczekiwaliśmy, że dzięki dyrektywie będziemy mogli prezentować inwestorom bardziej złożone systemy. Poza tym sam dobór i porównanie rozwiązań instalacyjnych mógłby stać na wyższym poziomie.

Czy tak się rzeczywiście stało?

PB: No cóż. Początkowo została opracowana metodyka zgodna z niniejszymi założeniami. Niestety wydała się dla rządzących zbyt skomplikowana i przyjęto odmienne podejście. Przyjęta docelowo metodyka jest porównywalna klasą obliczeniową z prostym wymiarowaniem. Sprawiło to, że symulację – stosując najprostsze modele – mógł przeprowadzić każdy, kto umiał posługiwać się tradycyjnym oprogramowaniem. Takie podejście oddaliło nas od nurtu symulacji rozumianych jako analiza zachowania budynku. Widać to zresztą w samych świadectwach charakterystyki energetycznej, które jako dokument nie zawierają informacji, które mogłyby się pojawić przy zastosowaniu bardziej zaawansowanych metod symulacyjnych.

Na szczęście znaleźli się inwestorzy, którzy rozumiejąc znaczenie symulacji, oczekiwali bardziej zaawansowanych metod analiz. Często spotykali się z przykładami takich opracowań na świecie, albo sami chcieli zebrać więcej informacji o budynku, wierząc, że w ten sposób będą mogli na dalszym etapie inwestycji podejmować mądrzejsze i bardziej racjonalne decyzje. Tacy inwestorzy wręcz oczekiwali wykonania symulacji.

Czy chodziło im tylko o dokładniejszą, bardziej zaawansowaną analizę zużycia energii w budynku?

PB: Symulacja zużycia energii w budynku to powszechnie zrozumiały, znany trend. Z wiodącymi inwestorami prowadzi się działania optymalizacyjne, które zaczynają się już na etapie wyboru kształtu budynku, materiałów przegród zewnętrznych, przeszkleń lub całych elewacji. Dzięki narzędziom symulacyjnym można wykonać predykcję – dużo dokładniejszą niż analiza parametrów przeszkleń, prowadząc wielokryterialną analizę, m.in. kosztów czy wpływu na straty i zyski ciepła. Może się wtedy okazać, że znaczenie wielkości i rodzaju przeszklenia będzie się znacząco różnić między budynkami. Taka analiza przegród zewnętrznych i wybór optymalnego przeszklenia wraz z określeniem masy akumulacyjnej budynku, wymagają już bardziej złożonych symulacji. Im bardziej będziemy podążać w kierunku budynku zeroenergetycznego, zwracając uwagę na akumulacyjność cieplną przegród, tym większe staje się znaczenie symulacji. Drugim ważnym polem dla rozwoju symulacji było włączenie do systemu HVAC energii ze źródeł odnawialnych. Umiejętne łączenie tradycyjnych systemów i źródeł odnawialnych wymaga dokładnej analizy, w jakich warunkach będą osiągane założone efekty. Symulacje były znakomitym narzędziem, by zwymiarować taki system i sprawdzić, czy systemy z wykorzystaniem OZE będą pracowały zgodnie z założeniami. Chodziło także o zakorzenienie w świadomości inwestorów pojęcia prosumenta i wskazanie, że budynek może nie tylko pobierać, ale i wytwarzać energię na miejscu. Pojawili się wtedy inwestorzy, którzy chcieli wiedzieć, w jaki sposób, kiedy, w jakich okolicznościach i ile energii do wprowadzenia do sieci – budynek będzie mógł wytworzyć. Przy założonych cenach energii dawało to podstawy do przeprowadzenia rzetelnej analizy finansowej planowanego przedsięwzięcia.

Jak się jednak ostatnio okazało, stosowanie OZE i podejście prosumenckie nie są już kierunkami wiodącymi, choć przyznam, że jeszcze w ubiegłym roku mocno liczyliśmy na poparcie ze strony władz. Tak więc i w tym obszarze symulacje stały się zarezerwowane dla świadomych, idących nieco pod prąd inwestorów.

Trzecim zagadnieniem stała się optymalizacja pracy systemów. Obecnie duży nacisk kładziony jest na efektywność energetyczną, promowaną także przez UE, ale jako branża przecież zdajemy sobie sprawę, że system składa się z pewnej liczby połączonych ze sobą urządzeń, zarządzanych dodatkowo systemem automatyki. Im głębiej będziemy wchodzić w systemy automatyki i dokładniej prognozować ich działanie, tym bliższy rzeczywistości otrzymamy wynik końcowy. Zaawansowane symulacje, odtwarzające planowany program działania systemu automatyki pozwalają na bliższe odtworzenie tego, jak będzie się zachowywał w rzeczywistych warunkach (np. pod względem energetycznym) budynek i jego systemy techniczne, przez co pozwalają na obiektywne porównanie kilku konkurencyjnych strategii sterowania. Ostatni obszar, to analiza opisująca współpracę budynku z instalacjami i wskazująca, jak w mądry sposób budynek może korzystać z dostępnych rozwiązań pasywnych i aktywnych zmniejszających zużycie energii, np. poprzez określenie wpływu free-coolingu w konkretnej realizacji.

Przed nami są kolejne wyzwania, np. magazynowanie ciepła i chłodu oraz energii elektrycznej, przy czym po raz kolejny wracamy do współpracy ze źródłami odnawialnymi i założeń, że budynek, dzięki niskiemu zużyciu energii i lokalnej produkcji energii z OZE, może stać się budynkiem zeroenergetycznym albo wręcz plusenergetycznym. W tych koncepcjach nie da się zwymiarować i przeanalizować systemu bez podejścia symulacyjnego.

Ważnym polem dla rozwoju symulacji było włączenie do systemu HVAC energii ze źródeł odnawialnych. Jak się jednak ostatnio okazało, stosowanie OZE i podejście prosumenckie nie są już kierunkami wiodącymi, choć przyznam, że jeszcze w ubiegłym roku mocno liczyliśmy na poparcie ze strony władz.

Budynek, dzięki niskiemu zużyciu energii i lokalnej produkcji energii z OZE, może stać się budynkiem zeroenergetycznym albo wręcz plusenergetycznym. W tych koncepcjach nie da się zwymiarować i przeanalizować systemu bez podejścia symulacyjnego.

Czy tylko zagadnienia związane z energią napędzały rynek symulacji?

PB: Nie, ale ich wpływ był znaczący. Energia była (i jest) bowiem mocno związana z pieniędzmi. W ostatnich latach coraz mocniej, niejako „przy okazji” modelowania zjawisk energetycznych, zaczęto wykorzystywać symulacje do prognozowania, co będzie działo się wewnątrz pomieszczeń i sprawdzania, czy przez cały rok użytkownik będzie miał zapewnione przyjęte parametry komfortu wewnętrznego.

To podejście zmieniło tradycyjny sposób projektowania. Przy tradycyjnym procesie projektowania parametry określające komfort, takie jak temperatura czy wilgotność, są danymi. W symulacjach dane te stają się jedynie wartościami oczekiwanymi i z ich pomocą sprawdzamy, jak budynek się zachował, zaś po zwymiarowaniu i symulacji, kryterium oceny staje się to, czy temperatura i wilgotność jako wynik symulacji zastała dotrzymana w zakładanym przedziale. Jest to więc przeniesienie akcentu z zakładania poszczególnych wielkości na analizę wyników. Jest to o tyle naturalne, że w rzeczywistości temperatura, wilgotność czy parametry komfortu w pomieszczeniu są wynikiem, a nie tylko daną. Niniejsze podejście pozwoliło zatem na rozszerzenie zakresu opracowań projektowych o możliwość symulacji środowiska wewnętrznego w pomieszczeniach.

Co lub kto sprawił, że ten aspekt rozwoju rynku symulacji się umocnił?

PB: Z jednej strony „liderzy”, czyli budynki, w których komfort użytkownika był ponadprzeciętnie ważny, bo po prostu był oferowany jako część warunków najmu. Z drugiej strony – budynki poddawane certyfikacji, oceniane nie tylko pod względem zrównoważenia (jak w przypadku LEED czy BREEAM), ale też pod względem komfortu użytkownika (WELL, GBS), co jest pewną nowością i bardzo nas cieszy. Próbujemy bowiem przekształcić paradygmat budownictwa – i przypomnieć, że ważniejszym od samej energii jest zapewnienie zdrowych i bezpiecznych warunków środowiska w budynkach, a przez to komfortu użytkownikom. To, że całe budownictwo jest nastawione na niskie zużycie energii, jest ciekawe i cenne, ale przy okazji tworzenia takich systemów jak GBS odwróciliśmy priorytety.

Green Building System jest pierwszym polskim system certyfikacji oceniającym budynek po kątem zapewnienia komfortu, zdrowia i efektywności pracy dla jego użytkowników.

Budynki tworzymy przecież dla ludzi, a człowiek ze swymi potrzebami jest podmiotem, zaś energia jest tylko kosztem tego, co inwestor, projektant i wykonawca dla niego zrobili. Modelując zatem parametry komfortu, niejako przy okazji – tym samym modelem – możemy sprawdzić efekt energetyczny. Ważnym dla niniejszego podejścia jest to, że priorytet komfortu jest potwierdzony rozwojem systemów certyfikacji – choćby systemem Well Building Standard, który ocenia budynek pod kątem człowieka, a nie pełnej zgodności z zasadami zrównoważenia.

Wskaźnikiem potwierdzającym znaczenie modelowania jest to, że w tradycyjnych systemach certyfikacji kryterium energii stanowi znaczącą część punktacji dla całego budynku. Wszystkie projekty LEED’owe czy BREEAM’owe wykorzystują model, zatem projektant, dokonując analizy energetycznej, może przy okazji zrobić symulację komfortu.

Nieco inna sytuacja miała miejsce w przypadku symulacji wykorzystujących technikę numerycznej mechaniki płynów – CFD (Computational Fluid Dynamics). W tym przypadku zjawiska termiczno – przepływowe analizowane są na bardziej złożonych modelach. Ich rozwój w Polsce w naszej dziedzinie przez wiele lat był ograniczony. Dopiero wskazanie na możliwość wykorzystania wyników takich symulacji w analizach zabezpieczenia przeciwpożarowego i oddymiania spowodował gwałtowne zainteresowanie branży.

Czy model lub symulacja wykonane na etapie projektowania mogą się przydać na dalszym etapie inwestycji? W jaki sposób? Czy w Polsce korzysta się z modeli po zakończeniu procesu projektowego?

PB: Oczywiście! Bardzo ciekawe wyniki uzyskuje się, porównując zwalidowany model, który został dopasowany do rzeczywistego funkcjonowania budynku. Korzystanie z modelu podczas eksploatacji może pokazać, czy działanie systemu jest zgodne z założeniami, np. co do zużycia energii. Można zatem skonfrontować założenia projektowe z rzeczywistym zużyciem energii i ciepła. W warunkach polskich wykorzystujemy to podejście w procesie commissioning. Uważam, że takie pełniejsze wnioskowanie jest właściwym rozwiązaniem podczas pierwszych dwóch lat życia budynku. Wówczas w budynkach dzieje się najwięcej, co oznacza konieczność ciągłego dostosowywania systemów do zmieniających się warunków eksploatacji. W tym okresie można także jeszcze zrobić niezbędne regulacje i modyfikacje.

Drugim procesem jest tzw. measeurement and veryfication czyli weryfikacja modelu na podstawie danych pomiarowych. Skoro inwestor posiada model, warto żeby z niego raz jeszcze skorzystał! Dzięki temu podejściu można sprawdzać w regularnych odstępach czasu (np. co miesiąc), jak budynek rzeczywiście funkcjonuje – a dzięki porównaniu z modelem, wskazać, jak eksploatacja odbiega od tego, co mogłoby się dziać w warunkach idealnych. To pole do mądrych wniosków i decyzji biznesowych dla myślącego inwestora. Takie podejście wykorzystujemy w procesach typu Green FM. W tej chwili modele udało się przenieść na kolejny etap eksploatacji – wykorzystujemy je do oceny stanu budynków. Jeśli w mądry sposób wprowadzimy informacje o tym, jak budynek działa, możemy również zobaczyć, jaki jest jego potencjał do oszczędzania energii i ciepła, co jest istotne choćby przy decyzjach o remontach, modernizacjach i ich skali. Dzięki modelom możemy określić, na którym etapie cyklu życia budynku czy instalacji jesteśmy.

Obserwując rynek zastosowań symulacji w budownictwie, ciekawie zapowiada się najbliższa przyszłość. Na razie w ramach projektów naukowo- badawczych, czy pierwszych wdrożeń w projektach pilotażowych udaje nam się dołączać kolejne zjawiska, o które uzupełniamy modelowanie, co pozwala na symulacje nowych aspektów funkcjonowania budynku. Tu po raz kolejny pojawia się kwestia zmiany podejścia do projektowania – poszukiwania odpowiedzi na pytanie, jak wdrożyć poszerzony zakres analiz do prawdziwego procesu projektowania i jak przekonywać inwestora, że warto za owo rozszerzenie (podobnie jak za każdą dodatkową informację) zapłacić.

Na drugą część rozmowy z dr inż. Piotrem Bartkiewiczem na temat przyszłości rynku symulacji i trendów w projektowaniu z ich uwzględnieniem zapraszamy do numeru CH&K nr 6/2017.