Pasivní chlazení- nová éra v efektivitě budov Passive Cooling

Pasivní chlazení - nová éra v efektivitě budov
Passive Cooling the New Era in Building Efficiency
MICHAL KRAMÁŘ, RICHARD ŽAMPACH
S
s outlook for energy becoming more and more
uncertain, new smart technologies have bright
future in upcoming years. When most buildings rely on
air conditioning systems (AC), new smart cooling systems will play greater part in building design, increasing
efficiency and lowering operation costs.
Budoucnost energií
Energy Outlook
Každý rok se světová populace rozroste o zhruba
70 milionů. Tento populační růst znamená větší ekonomický boj o klesající zásoby energetických zdrojů.
S tímto trendem souvisí i růst životní úrovně v mnoha
rozvojových zemích a předevsím v Asii. V současnoti
je většina energie spotřebovávána na provoz budov,
kde největší podíl této energie představuje topení
a chlazení. Často se má za to, že energie na topení je
dominantní, pokud jde o zajištění komfortního vnitřního prostředí, ale je to naopak. Chlazení představuje
celosvětově vetší spotřebu energií. Topení je význam-
Every year world population increases by around 70
million people. Such population increase means that
more and more people are competing for diminishing
energy resources. Alongside with this trend is the rise
in living standard in many developing countries, especially in Asia. In today’s world most of energy is used in
building with biggest portion of this energy going into
heating and cooling. It often seems that heating is more
dominant component when it comes to interior comfort, but in fact it is cooling that consumes more energy
around the world. Heating cost is more significant in
Obr. 1 / Fig. 1
88
A
e snižujícími se rezervami energetických zdrojů
vzkvétá jasná budoucnost tzv. chytrým technologiím. V současnosti je většina budov odkázána na
klasický systém chlazení, ale chytré technologie chlazení budou hrát významnější roli v navrhování budov,
provozní efektivitě a nižších nákladech na provoz.
klimatizace 2/2011
ným faktorem v chladnějsích klimatických podmínkách Evropy, Kanady, části USA a části Japonska.
Všechny ostatní země od jihu Evropy, jihovýchodní
Asie, střední Ameriky až po celou jižní polokouli jsou
závislé na chlazení k celoročnímu zajištění komfortní
teploty uvnitř interiérů. V teplých a tropických oblastech je většina energie vynaložena na chlazení, které
v některých případech dosahuje i více než polovinu
celkových nákladů na provoz budov.
colder climate like Europe, Canada, parts of USA, Russia
and parts of Japan. All counties from southern Europe,
Southeast Asia and Central America all the way down to
entire southern hemisphere rely heavily on AC to maintain building comfort throughout the year. In warm and
tropical climate most of building operation energy goes
to building cooling, in some cases consuming more than
half of entire energy used in building operation.
Současné chlazení
Většina chladicích systémů využívá klimatizace
a návrhování budov je pouze o zajištění dostatečného chladicího výkonu bez snahy dosáhnout výraznějších úspor. Tento trend představuje budoucí finanční
zátěž pro majitele a provozovatele budov i jejich
nájemníky tam, kde současné budovy nemohou být
jednoduše modernizovány na nové technologie. Růst
cen energií tak výrazně ovlivní cenu provozu a zatíží
nájemníky dodatečnými náklady.
Obr. 2 / Fig. 2
Přesto lze již dnes navrhnout budovy bez nutnoti použití klimatizací nebo významným způsoben
snížit náklady na chlazení, implementací pasivních
chladících technologií a materiálů (obr.1). V teplých
a tropických podmínkách je většina budov navržena bez tepelných izolací, kvalitního zasklení nebo
potřebného stínění. Současná stavební legislativa
ve většině zemí s teplým podnebím nepovažuje za
nutné budovy tepelně izolovat a izolace je většinou
vnímána v návaznosti na efektivitu topení.
Příjemná teplota musí být zajištěna u všech budov
(tab. 1), nicméně představuje důležitou roli zejména
ve třech segmentech nemovitostí, kde je považována
za nezbytnou.
Rodinné domy mají většinou vysokou obvodovou
plochu v porovnání s vnitřním objemem. To představuje značné tepelné zisky přes obálku budovy. Na
druhou stranu je obsazenost těchto objektů velmi
malá a nízké jsou i vnitřní teplené zisky. Další výhodou u rodinných domů je to, že vyšší vnitřní teplotu
významně neovlivňuje obsazenost budovy tolik jako
v jiných segmentech realitního trhu. Obyvatelé často tolerují vyšší teplotu interiéru, případné chlazení
představuje dodatečné náklady na energie.
Current Cooling
Most of the current cooling is achieved by AC and
designing building simply means installing sufficient cool
power without any attempts to reduce energy consumption. This presents financial liability for building owner
user and tenants for many years into the future, where
existing building cannot be easily retrofit for newer and
more efficient technologies. Rises in energy prices will
render building maintenance expensive, creating additional burden for tenants.
Yet new building can be design without any use of
AC or with significant reduction to cooling capacity just
by implementing new passive cooling technologies and
materials (Fig. 1). In warm and tropical climates most
buildings are designed without any insulation, efficient
glazing or sufficient window shading. Current building
codes in many countries do not see the need for insulation in hot climate, where insulation is mainly linked with
heating efficiency.
Comfortable temperature has to be maintained in
all buildings, nevertheless it represents main concern
89
in three main types of building sectors where cooling is
considered a necessity.
Residential buildings have high surface area compared with internal volume. This means heat gains
through building envelope will be quite significant.
On the other hand occupation density is low accounting for smaller internal heat gains. Another advantage
in residential buildings is fact that internal temperature does not affect occupancy as much as in other
buildings. Occupants can often tolerate higher indoor
temperatures if cooling means higher utility cost.
Obr. 3 / Fig. 3
Obchodní domy jsou většinou velmi kompaktní
stavby s maximálním objemem a minimální plochou
obálky. Toto představuje značnou výhodu, kdy tepelné zisky z exteriéru budovy mohou být snadně minimalizovány. Další výhodou je nízká hustota používání
Běžná charakteriskitka domů
Obsazenost
1 osoba na 10 m2
Obálka budovy U hodnota
U = 1 – 2 W/(m2*K)
Stínění
dostatečné
Vnitřní zdroje obsazenosti ... HO
60 W/os = 6 W/m2
Vnitřní zdroje od spotřebičů ... HA
15 - 20 W/m2
Tepelné zisky obálkou budovy ... HT + HS
5 – 10 W/m2
Chladicí výkon
30 - 35 W/m2
Tab. 1
spotřebičů produkujících teplo, jako je tomu u servrových místností, počitáčů a kancelářských zařízení.
Významným faktorem při navrhování je pouze vysoká
hustota obsazenosti a velká četnost osvětlení. Teplota
interiéru je navíc velmi úzce spojena s návštěvností
a tržbami a aby byla přijemná, je v nejlepším zájmu
majitelů a manažerů obchodních center.
90
klimatizace 2/2011
Shopping centres are usually built very compact with maximum internal volume and minimal
surface area. This represents significant advantage
where heat gains coming from exterior can be easily reduced. Another advantage is low use of heat
producing appliances such as computers, server
rooms and other office equipment. The only concern
in designing shopping centres is internal heat gain
caused by high occupation density and extensive use
of lighting. On top of this, internal comfort in shopping centres is tightly related to shopping centre
attendance and revenues and maintaining pleasant
climate is in best interest of shopping centre owners
and managers.
Usual building characteristics
Occupation density
1 person per 10 m2
Building Envelope U value
U = 1 – 2 W/(m2*K)
Building shading
Sufficient
Occupation heat gain ... HO
60 W/person = 6 W/m2
Appliances heat gain ... HA
15 - 20 W/m2
Heat gain through building envelope ... HT + HS
5 – 10 W/m2
Cooling capacity
30 - 35 W/m2
Tab. 1
Office buildings represent third main building market. Office buildings are usually tall structures where
internal volume and building envelope can represent
one of main concern for cooling. Office spaces have
also high density of occupants and appliances generating significant internal heat gains. Main concern is
especially with trading floors where multiple servers
and computers are used extensively throughout a day
(Fig. 2).
Kancelářské budovy představují třetí významný
segment trhu. Budovy jsou často vysoké a poměr
vnitřního objemu a obvodového pláště může být
jedním z faktorů ovlivňujících chlazení. Místnosti mají
vysokou obsazenost osobami a zařizeními generujícími významné tepelné zisky, jako je tomu například
u finančního obchodování, kde se intenzivně použivají servery a počitače v průběhu dne (obr. 2).
Výpočet chladicího výkonu
Chladicí výkon je tak vypočitán jako:
CC = HT + HI + HS
CC ... chladicí vykon
HT ... tepelné zisky obálkou budovy
HI ... interní tepelné zisky
HS ... solární zisky
Vnitřní tepelné zisky HI tak lze popsat jako:
HI = HO + HA
Obr. 4 / Fig. 4
HO ... tepelné zisky z obsazenosti osobami
HA ... tepelné zisky od spotřebičů a osvětlení
Cooling Capacity Calculation
CC = HT + HI + HS
CC = HT + HO + HA + HS
Dalším problémem je obálka budovy a samotná
klimatizační jednotka. V Evropě je většina pasivních
a nulových domů navržena se vzduchotěsnotí n50=
0.6 h-1. To znamená, že vnitřní vzduch je udržován
uvnitř budovy a neuniká vlivem větrné expozice.
Protože klimatizace vzduch pouze přivádí, tak se
významně spoléhá na fakt, že „obálka“ budovy je co
nejméně vzduchotěsná a vzduch z interiéru je neustále vytlačován mimo budovu přívodním vzduchem.
To ale představuje významnou ztrátu chladicí efektivity, kdy je přichozí teplý vzduch konstantně chlazen
k udržování konstantní teploty interiéru (obr. 1).
Nová koncepce chlazení
Jelikož obchodní centra a kancelářské budovy
představují nejnáročnější chlazení, tak je možné říci,
Cooling capacity is calculated as:
CC = HT + HI + HS
CC ... cooling capacity
HT ... heat gain through building envelope
HI ... internal heat gains
HS ... solar heat gains
Internal heat gains HI can be described as:
HI = HO + HA
HO ... heat gains from occupancy
HA ... heat gains from appliances and lighting
CC = HT + HI + HS
CC = HT + HO + HA + HS
Another issue is building envelope and cooling system by itself. In Europe most passive and zero energy
91
že pokud je možné chladit tyto objekty, je možné
tento systém chlazení realizovat na většině budov
od rodinných domů, po hotely a nemocnice. Otázkou
zůstává, jestli tento systém může být navržen a instalován.
Zvýšení účinnosti budov
Prvním krokem je návrh obvodového pláště s izolací stěn a efektivním zasklením. Izolace
zabraňuje nejen unikání tepla během zimy, ale také
snižuje tepelné zisky v průběhu léta. Okna musí
být nainstalována podle norem pasivního domu
s minimalizací tepelných mostů, účinným zastíněním snižujícím solární zisky a vzduchotěsným připojením po celém vnějším obvodu. Okna musí být
plně zastíněna v průběhu větší části dne. Stínění v
tropickém podnebí lze dosáhnout snadněji než v
evropských zemích, protože slunce se pohybuje na obloze v průběhu dne výš. Tím je potřeba
stíněných i předsazených stínících ploch menší, při dosažení podobných výsledků jako ve
většině severněji položených zemí. Díky tomu
se tepelné zisky budovy obvodovým pláštěm sníží na 1 až 3 W na 1 m 2, což představuje 10 až 20
% úspor (obr. 2).
92
buildings is designed as air tight to n50= 0.6 h-1 standard.
This means that inside air is maintained within the building and cannot escape due to wind exposure. Current
buildings using AC do not require for buildings to be air
tight, it is rather the opposite. Since AC only supplies air,
it relies heavily on the fact that buildings are not air tight
at all, cool air inside the building is constantly pushed
out by new incoming cool air. This means massive lost in
cooling efficiency where hot air needs to be constantly
cooled to maintain building comfort.
New Cooling Solution
Since shopping centres and office buildings are the
most difficult to cool. We can say that if efficient cooling
can be designed for these buildings than it can be implemented in any building sector from residential buildings
to hotels and hospitals. So the question is, can such a
system be designed and implemented.
Increasing Building Efficiency
Dosažení vzduchotěsnosti na úroveň standartu pasivních nebo nulových domů je nezbytností. Studený vzduch se udržuje v budově a teplému
vzduchu je zabráněno v infiltraci směrem dovnitř.
Vzduchotěsnost hraje větší roli ve vyšších budovách, kde větrná expozice představuje značný problém. Vzduchotěsnost obálky je rovněž důležitá
pro větrání, které v úsporných budovách je na ní
svou funkčností závislé. Pokud budova nedosáhne vysoké úrovně vzduchotěsnosti, rekuperace nemůze využít teplotu vnitřního vzduchu pro
svůj chod.
First step is to design building envelope with
insulated walls and efficient glazing. Insulation
does not only stop heat from escaping during winters, but also prevents heat gains during summers.
Windows have to be installed according to passive house standards minimizing thermal bridges,
reducing solar gains and connecting air tightness
throughout entire external surface area. Windows
have to be fully shaded during most parts of the
day. Shading in tropical climates can be achieved
more easily than in European countries, since sun
sits higher in the sky during a day. This allows for
smaller shading surfaces with less shading overhanging area to achieve similar results as in most
northern countries. This reduces heat gains through
building envelope to 1 to 3 watts per 1 m 2, representing 10 to 20 % savings (Fig. 2).
Velkých úspor lze dosáhnout i použitím úsporných spotřebičů. Toto opatření je velmi významné,
neboť může snížit vnitřní tepelné zisky od spotřebičů a osvětlení pod 10 W/m2 a snížit tím chladicí
výkon o 30 %. Pouze na uživateli závisí rozhodnutí,
které přináší nižší výdaje a to nejen za vlastní spotřebovanou elektřinu, ale i za podíl na provozních
nákladech budovy (chlazení).
Air tightness to current European passive or zero
energy standards is necessary. Cool air is kept within
building and no hot exterior air penetrates into building. Air tightness plays bigger role in taller buildings
where wind exposure is main concern. Air tight envelope plays another vital role when it comes to ventilation. Ventilation in efficient buildings relies on air tight
envelope for its function. If building does not achieve
klimatizace 2/2011
Pasivní chlazení
Pro další snížení potřeby chlazení je možné ve
stavbách implementovat inteligentní materiály, které umožňují ukládání latentního tepla do stěn
a stropů. Inteligentní materiály absorbují teplo v průběhu nejteplejší části dne, velké množství ho akumulují a zabraňují tak růstu teploty v interiéru, čímž se
omezuje potřeba chlazení. Latentní teplo může být
obnoveno v noci, kdy budova nemá žádné vnitřní tepelné zisky z obsazenosti osobami, ze zařízení a
kdy vnější teploty jsou mnohem nižší než během
dne. To umožňuje inteligentní chlazení během nejpřijatelnějších teplotních podmínek v průběhu noci.
Nejvýznamnějšího snížení chlazení je dosaženo nahrazením klimatizačních systémů systémy nuceného větrání s rekuperací. Rekuperace tepla může
použít již chladný vzduch z budovy pro předchlazení teplého vzduchu, přiváděného do objektu. Rekuperace nasává vnitřní vzduch a využívá jeho
teploty. Vzduch přicházející do objektu je možné tímto způsobem ochladit na úroveň asi na 25 ° C. V teplých oblastech může být tento rozdíl velmi výrazný,
snižující potřebu tepla na chlazení o 60 % i více, a to
právě instalací rekuperace do budovy. Pro uplatnění tohoto systému musí být budovy již od počátku
navrhovány s myšlenkou větrání. Dále je nutná instalace odpovídajícího vzduchotechnického potrubí,
s cílem maximalizovat efektivitu celého systému a
zároveň zabránit zahřívání vzduchu uvnitř potrubí . Vzduchotěsnost n50= 0.6 h-1 současného pasivního evropského standartu je nutností, kde jakékoliv
netěsnosti budovy snižují efektivitu celého systému
větrání a tím i chlazení.
Zabezpečit další potřeby chlazení lze integrací systému pasivního chlazení do systému rekuperace
tepla. Toto chlazení nevyužívá systému aktivního chlazení. Pasivní chlazení může být instalováno jako integrované chlazení ve stropních panelech nebo jako
přímé chlazení vzduchu v potrubí v rámci větrání s
rekuperací tepla. V obou případech je toto chlazení třeba zapojit do centrálního řídicího systému,
který řídí všechny aspekty budovy. Pasivní chlazení používá jako chladicí medium studenou vodu.
Studená voda cirkuluje chladicími okruhy , kde
absorbuje teplo ze vzduchu přiváděného do míst-
high level of air tightness ventilation cannot use inside
air for it operation.
Main savings can be achieved using efficient appliances. This measure is very significant and can reduce
internal heat gains from appliances and lighting below
10 Watts/m2, reducing cooling capacity by 30 %. Even
though this is mostly up to tenants’ decision, using efficient appliances not only reduces their utility costs, but
helps to lower their share in base building costs.
Passive Cooling
To further reduce cooling needs, buildings can implement smart material allowing for latent heat storage
within walls and ceilings. Smart materials draw in heat
during hottest parts of day, absorbing massive amounts
of heat, preventing interior temperature from rising and
reducing needs for cooling. Latent heat storage can be
restored during nights when building has no internal
heat gains from occupation and appliances and external temperatures are much lower than during a day. This
allow for smart cooling during most favourable weather
conditions.
Most important reduction in cooling is achieved by
replacing AC systems with heat recovery ventilation.
Heat recovery can use already cool air from building
for pre-cooling hot incoming air into building. Heat
recovery extracts inside air and utilizes its temperature. Incoming air into building can be cooled this way
to around 25°C. In warm climates this difference can
be very significant reducing cooling needs by 60%
or more just by implementing heat recovery ventilation into building. To implement this system buildings
have to be design with heat recovery ventilation in
mind. Also appropriate air ducting has to be installed
to maximize efficiency of entire system while preventing air inside ducting from heating up. Air tightness to
n50= 0.6 h-1 European passive house standard is a must,
where any air leakage significantly reduces efficiency
of ventilation system.
To meet additional cooling needs, passive cooling
system can be integrated into heat recovery ventilation.
This cooling does not rely on active AC. Passive cooling
can be installed as integrated cooling panels in ceilings or
directly into air supply ducting as a part of heat recovery
93
nosti nebo přímo ze vzduchu z interiéru. Vracející
se teplá voda může být použita jako užitková pro
sprchování, kuchyň, nebo opětovně chlazena geotermální smyčkou. Tohoto je dosaženo bez nutnosti
aktivního chlazení pouze cirkulací, při které proudí
teplo z interiéru do chladicího média. Pasivní chlazení je dostačující, aby ochladilo vnitřní klima po většinu roku, což výrazně snižuje náklady na chlazení.
Chlazení během nejteplejších částí dne je možno zajistit přidáním integrovaných prvků chlazení. Toto dodatečné chlazení je součástí rekuperace s
pevným napojením na větrací potrubí a ovládáno centrálním řídicím systémem. Pokud je to nutné, pak dodatečné chlazení může být zapnuto. Toto chlazení je
zabezpečováno tepelnými čerpadly, která využívají tepla z přiváděného vzduchu do interiéru a při tomto procesu vzduch dále chladí a jako vedlejší produkt vyrábí
teplo. Nadměrné teplo může být využito pro ohřev teplé vody, nebo odvedeno do odpadního vzduchu.
Tyto systémy mohou dosáhnout velmi vysoké účinnosti chlazení, snížit náklady na minimum v porovnání se stávajícími systémy aktivní klimatizace. Budovy s touto úrovní efektivity chlazení spoléhají na sofistikovaný systém měření a regulace (obr. 3
a 4). Senzory instalované v celé budově snímají údaje o kvalitě ovzduší, teplotě vody, teplotě konstrukcí, teplotě vnějšího prostředí, vlhkosti, znečištění
ovzduší a provádí miliony přesných rozhodnutí každou sekundu k zachování příjemného vnitřního klimatu. Regulují větrání a pasivní chlazení,
dodávají potřebné množství vzduchu a chladí na
základě obsazenosti, využití prostor a teplot interiéru v průběhu dne. Nevyužívané části budovy jsou
automaticky vypnuty nebo mají jen nutnou dodávku potřebného množství vzduchu a chlazení.
Inteligentní senzory mohou také obnovit tepelnou
kapacitu v latentních materiálech nebo ve vodě
v závislosti na vnějších podmínkách a dále tak snížit
potřebu chlazení v nejteplejších částech dne.
V současnosti tento systém navrhuje firma GREENER
FUTURE SOLUTIONS Austrálie a realizace začne letos
na pilotním projektu v Sydney v Austrálii s využitím sofistikovaného a moderního řídícího systému
DIGICONTROL společnosti GFR-DIGICONTROL (více
informací na titulní straně časopisu).
94
klimatizace 2/2011
ventilation. In both cases this cooling needs to be integrated into central control system that controls all aspects
of a building. Passive cooling systems use cold water as a
cooling medium. Cold water circulates through cooling
circuits capturing heat and cooling incoming air or interior directly. Returning warm water can then be used for
showering, kitchen or cooled again by geothermal loops.
All this is done without any need for active cooling, just
by circulation during which heat flow from warm interior
into colder circulating water. Passive cooling is sufficient
enough to provide cool indoor climate during most part
of a year, significantly reducing cooling costs.
Cooling during hottest parts of a day can be provided by adding integrated cooling elements. This
additional cooling is part of heat recovery, connected
directly into ducting and controlled by central control system. If required additional cooling can then be
turned on. This cooling is delivered by heat pumps
that utilize heat from incoming air, cooling air in the
process and producing excess heat as a by product.
Excess heat can be used to heat hot water or dumped
into exhaust air.
These systems can achieve very high efficiency
reducing cooling cost to next to zero when compared
with current air-conditioning systems. To achieve this
level of efficiency, buildings will rely on sophisticated
regulation and instrumentation systems (Fig. 3 and 4).
Multiple sensors are installed throughout entire building to measure air quality, water temperature, building
temperature, exterior climate, humidity and air pollution making millions accurate decision every second
to maintain pleasant indoor climate. These systems
regulate ventilation and passive cooling, suppling
air and cooling based on occupation density, space
use and temperatures during a day. Unused parts of
a building are automatically turned off or supply only
needed quantity of air and cooling. Smart sensors can
also replenish heat capacity in latent heat storage or in
water based on outside conditions and further reducing
needs for cooling during hottest parts of a day time.
Currently this cooling system is being designed by
GREENER FUTURE SOLUTIONS Australia and realization
will begin on pilot project in Sydney Australia later this
year using GFR Digicontrol system as a controlling solution (contact on the coversheet herein).