Nízkoenergetické Nízkoenergetické chlazení budov

Komentáře

Transkript

Nízkoenergetické Nízkoenergetické chlazení budov
Diserta ní práce
Ing. Miloš Lain
Technika prost edí
Obor
Prof. Dr. Ir. Jan Hensen
Školitel
2007
Praha
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Anotace
Diserta ní práce se zabývá pasivním a nízkoenergetickým chlazením budov v eské
republice. Práce obsahuje analýzy klimatu, tepelných zisk i budov a systém v trání a
klimatizace, zam ené na posouzení možností použití jednotlivých metod nízkoenergetického
chlazení. Detailní návrh a optimalizace nízkoenergetického chlazení je prezentována v ad
p ípadových studií zpracovaných po íta ovou simulací energetických bilancí a dopln ných o
n která m ení a monitorování. V práci je vyzdvižena významná role po íta ových simulací
pro detailní návrh a optimalizaci systém nízkoenergetického chlazení.
Nízkoenergetické chlazení by m lo zajistit odvod tepelné zát že s minimální spot ebou
energie
a
minimálními
p íkony.
Nízkoenergetické
chlazení
využívá
p irozených
nízkopotenciálních zdroj chladu.
Mezi nízkoenergetické systémy chlazení pat í p edevším:
•
No ní v trání - p irozené i nucené, jenž využívá nižších teplot vzduchu v noci
•
Adiabatické chlazení vzduchu – p em nu citelného tepla na teplo vázané p i
odpa ování vody
•
Chlazení využívající chladu ze zemského polomasivu
•
Chlazení sálavé s akumula ní hmotou - chlazení stavebních desek vodou nebo
vzduchem
Miloš Lain 2007
i
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Summary
Lowenergy cooling of buildings
This PhD thesis deals with the applicability of passive and low energy cooling technologies in
the Czech Republic. The work includes climate analysis, gains analysis as well as buildings
and systems analysis in order to estimate the potential of passive and low energy cooling
technologies. The latter detailed design is based on case studies, which include building
simulation and some monitoring. The role of computer simulation in low energy building
design and optimisation is presented.
Low energy cooling technologies provide cooling in an energy efficient manner, thus
reducing energy consumption and peak electricity demand. They do so by making use of low
quality sources of cooling; whether it is ambient air or ground temperatures or warmer chilled
water. Those technologies may be considered passive and hybrid cooling systems.
The following low energy cooling technologies are addressed in this thesis:
•
Night ventilation – lowers the temperature of the building thermal mass using night
ventilation
•
Evaporative cooling – sensible heat is absorbed as a latent heat to evaporate water
•
Ground cooling – the air is cooled by the ground via matrix of piping or groundwater
(aquifer) cooling
•
Slab cooling – thermal mass of slab is cooled by air or water
Miloš Lain 2007
ii
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pod kování
Rád bych na tomto míst pod koval všem, kte í p isp li ke vzniku této práce. Kdybych se
pokusil vypsat jména všech, kte í p isp li radou, informací, i pomocí b hem dlouhé doby,
kdy tato práce vznikala, byl by to seznam dlouhý a asi by se na tuto stránku nevešel..
Za odbornou pomoc a vedení d kuji obzvlášt svému školiteli prof. Dr. Ir. Janu Hensenovi a
prof. Ing. Františku Drkalovi, CSc. za jeho významnou pomoc hlavn v záv re ných fázích
práce.
Dále bych cht l pod kovat své rodin a p edevším své manželce a d tem, za jejich trp livost a
podporu, bez které bych tuto práci t žko dokon il.
Miloš Lain 2007
iii
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obsah
1
1.2
1.3
1.4
Úvod ................................................................................................................................... 1
Cíle práce ............................................................................................................................ 3
Metody ................................................................................................................................ 3
Struktura a len ní diserta ní práce .................................................................................... 3
2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.5
2.6
2.6.1
2.6.2
2.7
2.7.1
2.7.2
2.7.3
2.7.4
2.7.5
2.8
Podklady pro ešení nízkoenergetického chlazení ......................................................... 5
Historie................................................................................................................................ 5
Sdílení tepla p i nízkoenergetickém chlazení...................................................................... 6
Vedení tepla ........................................................................................................................ 6
Konvekce ............................................................................................................................ 7
Sálání................................................................................................................................... 8
P irozené proud ní .............................................................................................................. 9
Proud ní vlivem rozdílných hustot ..................................................................................... 9
Tlakový rozdíl vyvolaný ú inky v tru ................................................................................ 9
Tlakový koeficient Cp....................................................................................................... 10
Proud ní vzduchu otvory .................................................................................................. 11
Po íta ové simulace .......................................................................................................... 13
Integrovaná po íta ová simulace ...................................................................................... 13
ESP-r ................................................................................................................................. 13
ESP-r sí proud ní (Flow network)................................................................................... 14
Validace a verifikace programu ........................................................................................ 15
Po íta ové simulace a role projektanta ............................................................................. 16
Legislativa eské republiky a Evropské unie ................................................................... 17
Pr kaz energetické náro nosti budov................................................................................ 17
Kontrola klimatiza ních za ízení ...................................................................................... 18
Administrativní budovy v eské Republice ...................................................................... 20
Masivní historické budovy................................................................................................ 20
Budovy s prefabrikovaným plášt m.................................................................................. 21
Pln prosklené plášt ......................................................................................................... 21
Trendy ve výstavn nových administrativních budov....................................................... 22
Typická budova pro srovnávací studie.............................................................................. 22
Spot eba elektrické energie na chlazení budov ................................................................. 23
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
Okrajové podmínky ........................................................................................................ 25
Klima................................................................................................................................. 25
Globální oteplování........................................................................................................... 25
Klimatické podmínky v eské republice - aplikace pro analýzy..................................... 28
Porovnání klimatických dat .............................................................................................. 30
Tepelná pohoda p i nízkoenergetickém i pasivním chlazení .......................................... 31
Standardní hodnocení tepelné pohody .............................................................................. 31
Kategorie vnit ního prost edí podle tepelné pohody......................................................... 32
Adaptivní model tepelné pohody ...................................................................................... 33
Vliv vlhkosti...................................................................................................................... 37
Vliv st ední radia ní teploty.............................................................................................. 39
Tepelné zisky .................................................................................................................... 39
Vnit ní zisky...................................................................................................................... 40
Tepelné zisky z vn jšího prost edí.................................................................................... 46
Záv r ................................................................................................................................. 47
Miloš Lain 2007
iv
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.4
4.4.1
4.5
4.5.1
4.6
Pasivní chlazení ............................................................................................................... 48
Tvar budovy a urbanistické ešení .................................................................................... 48
Okolí budovy - tepelné ostrovy......................................................................................... 49
Efekt strom a zelen ........................................................................................................ 51
Význam vodních hladin a fontán ...................................................................................... 52
Tepelná hmota budovy...................................................................................................... 53
Stín ní budovy, oken......................................................................................................... 54
Slune ní geometrie............................................................................................................ 54
P irozené v trání ............................................................................................................... 56
Zásady pro p irozené v trání administrativních budov..................................................... 57
Záv r ................................................................................................................................. 59
5
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.1.4
5.1.5
5.1.6
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
5.4
5.4.1
5.4.2
Nízkoenergetické chlazení .............................................................................................. 60
No ní chlazení................................................................................................................... 60
Klimatické podmínky pro no ní chlazení v eské republice............................................ 64
No ní chlazení nucené – p edb žný návrh........................................................................ 66
No ní chlazení p irozené – p edb žný návrh.................................................................... 66
Za ízení pro no ní chlazení............................................................................................... 67
Stávající realizace ............................................................................................................. 67
Detailní návrh no ního v trání.......................................................................................... 67
Adiabatické chlazení ......................................................................................................... 69
Analýza klimatu ................................................................................................................ 70
P edb žný návrh adiabatického chlazení .......................................................................... 74
Za ízení pro adiabatické chlazení...................................................................................... 74
Stávající realizace ............................................................................................................. 75
Detailní návrh adiabatického chlazení .............................................................................. 75
Sálavé chlazení s akumula ní hmotou .............................................................................. 76
Vodní systém – p edb žný návrh...................................................................................... 77
Vzduchový systém – p edb žný návrh ............................................................................. 77
Regulace............................................................................................................................ 78
Za ízení pro sálavé systémy s akumula ní hmotou a jejich uplatn ní .............................. 79
Detailní návrh.................................................................................................................... 79
Využití chladu zemského polomasivu .............................................................................. 80
Vzduchové zemní vým níky............................................................................................. 80
Za ízení pro využití chladu zemského polomasivu a realizace......................................... 81
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.1.4
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.4
Pasivní chlazení – p ípadové studie............................................................................... 82
Budova galerie s vysokou tepelnou hmotou budovy ........................................................ 82
Parametry prost edí bez klimatizace ................................................................................. 83
M ení teplot ..................................................................................................................... 84
Pot eba chladu pro klimatizaci galerie.............................................................................. 85
Záv r ................................................................................................................................. 85
Nov stav ná budova fakulty architektury........................................................................ 86
Popis budovy a modelu ..................................................................................................... 86
Modelované zóny.............................................................................................................. 87
Výsledky po íta ové simulace.......................................................................................... 87
Záv r ................................................................................................................................. 88
P irozené v trání spojovací lávky administrativních budov ............................................. 89
Popis objektu..................................................................................................................... 89
Model ................................................................................................................................ 91
ešení a výsledky.............................................................................................................. 91
Záv r ................................................................................................................................ 92
Záv r ................................................................................................................................. 93
Miloš Lain 2007
v
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
7
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.3
Adiabatické chlazení ....................................................................................................... 94
Pavilon ZOO –Indonéská džungle .................................................................................... 94
Studie použití nep ímého adiabatického chlazení............................................................. 96
Popis simula ního programu pro nep ímé adiabatické chlazení ....................................... 96
Simulace nep ímého adiabatického chlazení .................................................................... 97
Výsledky ........................................................................................................................... 98
Záv r ................................................................................................................................. 99
Záv r ................................................................................................................................. 99
8
8.1
8.2
8.3
Studie možností no ního chlazení v eské republice................................................. 100
Parametry modelu ........................................................................................................... 100
Výsledky simulací........................................................................................................... 102
Záv r ............................................................................................................................... 103
9
Administrativní budova se systémem Top-cooling .................................................... 105
9.1 Popis budovy................................................................................................................... 105
9.2 P edb žné simulace v rámci projektu ............................................................................. 106
9.3 M ení a monitorování.................................................................................................... 107
9.3.1 M ení teploty vnit ního vzduchu ti (°C) v prostoru kancelá í...................................... 107
9.3.2 M ení teploty p ivád ného vzduchu a odvád ného vzduchu v kancelá ích ............... 108
9.3.3 M ení rychlosti proud ní vzduchu v p ivád cích vyústkách....................................... 108
9.3.4 Záv ry m ení objektu .................................................................................................... 109
9.3.5 Porovnání teplot .............................................................................................................. 110
9.3.6 Kontinuální záznamy funkce klimatiza ního systému a analýzy funkce systému.......... 111
9.3.7 P ehled použitých m icích p ístroj .............................................................................. 112
9.3.8 Záv r m ení a monitorování .......................................................................................... 112
9.3.9 Podklady pro kalibraci modelu ....................................................................................... 112
9.3.10 Chyby a nejistoty m ených a vyhodnocených hodnot................................................... 113
9.4 Detailní po íta ové simulace .......................................................................................... 114
9.4.1 Model budovy ................................................................................................................. 114
9.4.2 Kalibrace modelu ............................................................................................................ 115
9.4.3 Model systému klimatizace............................................................................................. 118
9.4.4 Simulace chování budovy a systému v trání a klimatizace ............................................ 120
9.4.5 Záv r detailních simulací ................................................................................................ 123
9.5 Záv r ............................................................................................................................... 124
10
Rozsáhlá administrativní budova - SOB Group...................................................... 125
10.1 Popis budovy................................................................................................................... 125
10.1.1 Technický popis základních ástí VZT systému............................................................. 126
10.2 Po íta ové simulace ........................................................................................................ 128
10.2.1 Energetická simulace celé budovy .................................................................................. 128
10.2.2 Energetická simulace vybraných kancelá í ..................................................................... 133
10.2.3 Optimalizace zasklení atrií.............................................................................................. 134
10.3 M ení a optimalizace provozu....................................................................................... 137
10.3.1 Optimalizace teploty vzduchu......................................................................................... 137
10.3.2 M ení tepelné pohody osob ........................................................................................... 138
10.3.3 Spot eby el. energie......................................................................................................... 142
10.3.4 Ov ení výkon zdroje chladu ........................................................................................ 145
10.3.5 Teploty v atriu................................................................................................................. 146
10.3.6 Záv r ............................................................................................................................... 148
10.4 Záv r ............................................................................................................................... 148
Miloš Lain 2007
vi
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11
Návrh systému sálavého chlazení s akumula ní hmotou........................................... 149
11.1 Koncept technické knihovny........................................................................................... 149
11.1.1 Budova - popis ................................................................................................................ 149
11.1.2 Systém chlazení vytáp ní a v trání. ................................................................................ 150
11.2 V traná dvojitá fasáda..................................................................................................... 151
11.2.1 Model .............................................................................................................................. 151
11.2.2 Model proud ní ............................................................................................................... 152
11.2.3 Rozbor výsledk po íta ové simulace fasády................................................................. 153
11.2.4 Záv r simulace dvojité fasády......................................................................................... 156
11.3 Národní technická knihovna - model budovy ................................................................. 157
11.3.1 Model proud ní vzduchu ................................................................................................ 157
11.3.2 Vnit ní tepelné zát že...................................................................................................... 158
11.3.3 Model stropního chlazení................................................................................................ 159
11.3.4 Ov ení modelu............................................................................................................... 159
11.3.5 Výsledky po íta ové simulace........................................................................................ 160
11.3.6 Záv r - simulace budovy................................................................................................. 162
11.4 Záv r ............................................................................................................................... 163
12
Záv ry ............................................................................................................................ 164
Litaretura ................................................................................................................................. 168
Miloš Lain 2007
vii
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Seznam použitých zna ek veli in
a ................................... slune ní azimut
[°]
a ................................... sou initel teplotní vodivosti
[m2/s]
c ................................... m rná tepelná kapacita
[J/kg K]
c .................................. sou initel sálání erného t lesa
[W/m2 K4]
Dh ................................. charakteristický rozm r
[m]
g......................................................celkový initel prostupu slune ní energie
[-]
g......................................................tíhové zrychlení
[m2/s]
h................................... azimut normály st ny
[°]
h................................... entalpie vlhkého vzduchu
[J/kgSV]
hc .................................. sou initel p estupu tepla konvekcí
[W/m2 K]
hr .................................. sou initel p estupu tepla radiací
[W/m2 K]
I.................................... intenzita v trání
[1/h]
l0 .................................. výparné teplo
[kJ/kg]
p................................... tlak
[Pa]
pd.................................. parciální tlak par
[Pa]
R .................................. tepelný odpor p i p estupu tepla
[m2 K/ W]
r.................................... plynová konstanta
[J/kg K]
t.................................... teplota
[°C]
T .................................. absolutní teplota
[K]
Tu ................................ místní intenzita turbulence
[%]
q................................... tepelný tok
[W/m2]
U ....................................................sou initel prostupu tepla
[W/m2 K]
w .................................. rychlost
[m/s]
x................................... m rná vlhkost
[kg/kgSV]
z ................................... svislý rozm r (výška)
[m]
ecká písmena
ε ................................... emisivita šedého t lesa
[-]
λ................................... sou initel tepelné vodivosti
[W/m K]
ρ................................... hustota
[kg/m3]
ϕ .................................. relativní vlhkost
[%]
Miloš Lain 2007
viii
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Indexy a operátory
∆ .................................. rozdíl
i.................................... vnit ní
p................................... tlakový
d................................... par
a ................................... vzduch
„“ ................................. stav sytosti
m.................................. pr m r
s ................................... povrch
p................................... p ivád ný vzduch
Zkratky
AC ............................... centrální klimatiza ní jednotka
DR ............................... stupe obt žovaní pr vanem
DV ............................... denní v trání venkovním tepeln neupraveným vzduchem
FC ................................ cirkula ní konvektorové jednotky s ventilátorem pro chlazení/
vytáp ní (Fan Coil)
IT ................................. informa ní technologie
MaR............................. m ení a regulace
NV ............................... no ní v trání venkovním tepeln neupraveným vzduchem
PMV ............................ st ední tepelný pocit
PPD.............................. procentuální podíl nespokojených
VAV ............................ vzduchový klimatiza ní systém s prom nným pr tokem vzduchu
(Variable Air Volume)
Miloš Lain 2007
ix
Nízkoenergetické chlazení budov -
1
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Úvod
Základním tématem této práce je nízkoenergetické chlazení budov, a to s d razem na administrativní
budovy ve st ední Evrop , respektive v eské republice. Prvo adým úkolem p ed zapo etím ešení
jakéhokoli problému souvisejícího s problematikou nízkoenergetického chlazení administrativních
budov je najít odpov di na t i základní otázky. Tyto otázky lze formulovat následovn : Pro bychom
se v bec m li daným problémem zabývat, Co máme k dispozici pro ešení tohoto problému a Jak
m žeme tyto nástroje použít a p isp t k ešení dané problematiky. Na tyto otázky spojené
s nízkoenergetickým chlazením se pokusím odpov d t nejen v rámci úvodu , ale prost ednictvím celé
p edkládané práce.
Úvodní otázkou je, pro bychom se m li zabývat nízkoenergetickým chlazením administrativních
budov. D vodem je p edevším nesoulad dvou požadavk kladených na budovy a jejich systémy, který
zejména v sou asné dob , p edevším vlivem globálního oteplování, nabývá na aktuálnosti a
závažnosti. Na jedné stran dochází ke stále zvyšujícím se požadavk m na kvalitu vnit ního prost edí
a sou asn je však t eba hledat zejména v souvislosti s ochrannou životního prost edí a myšlenkou
trvale udržitelného rozvoje jiné, alternativní prost edky k dosažení tepelné pohody osob.
N které publikace dokládají až 20% nár st produktivity práce p i zajišt ní optimálních teplotních
podmínek pracujících osob.
Jako pracovní prost edek se stále ast ji a ve v tší mí e používají
výpo etní a další kancelá ské techniky. To má za následek zvyšování tepelných p íkon vybavení
kancelá í. To spolu s výrazn jšími teplotními extrémy v posledních letech vede k tomu, že je
klimatizace respektive chlazení kancelá ských prostor považováno pro nov
stav né, ale i
rekonstruované budovy za standard.
Sou asn
je však t eba se p izp sobovat aktivitám a trend m spojených s ochranou životního
prost edí, které zakazují používání v tšiny doposud b žných chladiv vzhledem k jejich p ímým
negativním ú ink m na ozónovou vrstvu a nebo na skleníkový efekt. Naprostá v tšina chladivových
systém používá ke svému pohonu elektrickou energii. P i výrob el. energie v tepelných elektrárnách
vzniká oxid uhli itý, který výrazn negativním zp sobem ovliv uje skleníkový efekt a p ispívá ke
globálnímu oteplování. Krom toho je nutné se ve stále vyšší mí e vážn zabývat otázkou trvale
udržitelného rozvoje. Trvale udržitelný rozvoj ve stavebnictví a souvisejících profesích znamená
hledání takových ešení, která nabízejí nejen minimální spot eby energie b hem provozu, ale jsou i co
nejjednodušší tak, aby i p i jejich výrob bylo spot ebováváno minimum energie a surovin. Toto
kriterium však nespl uje v tšina pokro ilých strojních za ízení, mezi která pat í jak kompresorové
chlazení, tak i n které jeho alternativy.
Cílem tedy je nalézt takové systémy, které zajistí tepelnou pohodu v budovách a zárove budou
znamenat minimální zatížení životního prost edí, a už energií vloženou do jejich výroby, výstavby a
následné údržby, ale zejména spot ebou na samotný provoz daného za ízení i systému apod.
Miloš Lain 2007
1
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Jako velmi efektivní se z tohoto pohledu jeví práv nízkoenergetické systémy chlazení budov, které by
m ly spl ovat oba výše zmín né požadavky.
I když bylo ve sv t vydáno již n kolik rozsáhlejších publikací zabývajících se práv problematikou
nízkoenergetických systém chlazení (IEA 1995 a další), stále není úpln jasná jejich klasifikace a
t íd ní. V eštin není dosud používána ani jednotná terminologie.
asto se setkáváme s pojmem
alternativní chlazení. Alternativní chlazení zahrnuje alternativy (jiná ešení) ke klasickému chlazení,
ale
asto jsou pod tento pojem zahrnovány i alternativní chladicí ob hy i dokonce používání
alternativních chladiv. Nízkoenergetické systémy jsou také spjaty se systémy s nízkou energií, resp.
využíváním vysokoteplotního chlazení. Další pojem, který se váže k nízkoenergetickému chlazení, je
chlazení pasivní, které zahrnuje p edevším návrh budov s minimálními tepelnými zisky, ale i
využívání p irozených zp sob odvodu tepelné zát že systémy.
Mezi nízkoenergetické systémy chlazení pat í p edevším:
•
Adiabatické chlazení vzduchu (p ímé, nep ímé nebo s využitím sorp ních vým ník )
•
No ní v trání (p irozené i nucené)
•
Chlazení sálavé s akumula ní hmotou (chlazení stavebních desek vodou nebo vzduchem)
•
Chlazení využívající chladu ze zemského polomasivu
•
Systémy pro distribuci vysokoteplotního chlazení (sálavé panely, vyt s ovací v trání)
P edkládaná práce se bude zabývat p edevším rozborem a aplikací t chto metod prvních t í metod a
jejich uplatn ním pro kancelá ské budovy a pasivním chlazením.
Jak tedy systémy nízkoenergetického chlazení používat a jak je navrhovat. Pro v tšinu odborník
zabývajících se klimatizací budov nejsou výše zmi ované systémy žádnou novinkou. Vždy no ní
v trání a adiabatické chlazení mají pom rn dlouhou tradici, byly známy a využívány již p ed více než
tisíci lety. Velká ást odborník je však p esv d ena, že tyto systémy nemohou v nových nebo
rekonstruovaných budovách najít své uplatn ní. Navíc existuje i ada argument , které tento názor
podporují. Chceme-li totiž navrhnout budovu a systém využívající práv tyto již dávno známé a velmi
staré principy chlazení tak, aby spl ovaly požadavky kladené na vnit ní prost edí nyn jších kancelá í,
jsme nuceni používat velmi náro né metody a výpo ty. Krom toho v tšina nízkoenergetických
systém vyžaduje velmi úzkou spolupráci od první koncepce budovy (architekt) až po záv re né
uvád ní budovy a systému do provozu a nastavení regulace, což je ve stávajícím systému projektování
a zadávání zakázky v eské republice tém
nemožné.
Návrh v tšiny nízkoenergetických systém vyžaduje hlubší znalosti o chování budovy a systému,
podrobné analýzy klimatických dat a asto i další informace. P edb žné koncepce a návrhy systém
lze provád t na základ doporu ení vycházejících z klimatu v dané oblasti, fyzikálních princip
systém nízkoenergetického chlazení a dosavadních zkušeností.
Základním nástrojem pro detailní
návrh t chto systém jsou p edevším po íta ové simulace. Ty slouží jak pro návrh a optimalizaci
konkrétních budov a systém , tak pro obecné analýzy.
Miloš Lain 2007
2
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
V rámci této práce bude formou p ípadových studií prezentováno n kolik detailních rozbor
nízkoenergetických systém
chlazení budov. Pro konkrétní budovy byly zpracovány detailní
po íta ové simulace v etn kalibrací, m ení a optimalizace regulace systému.
V této práci je používán jako základní pojem nízkoenergetické chlazení. Jedná se o p eklad anglického
velmi frekventovan užívaného pojmu „lowenergy cooling“. Tento pojem zahrnuje ur ité alternativy
ke strojnímu standardnímu chlazení budov, p ípadn ke standardnímu návrhu systému chlazení, které
by m ly vést k nižší spot eb energie a zárove zajistit tepelnou pohodu.
1.1 Cíle práce
Cílem diserta ní práce je posoudit možnosti využití nízkoenergetického a pasivního chlazení budov
v eské republice. Dalším cílem je poskytnout p ehled metod pro p edb žný a detailní návrh t chto
systém . Práce se soust edí p edevším na metody využívající interakce budovy, systému v trání,
p ípadn klimatizace a klimatických podmínek. Jsou to metody pasivního chlazení, no ního v trání,
adiabatického chlazení a sálavého chlazení s akumula ní hmotou.
D raz je kladen na administrativní budovy a jako reprezentativní lokalita s nejv tším po tem
administrativních budov je zvolena Praha.
V této práci není
ešen odvod tepelné zát že od IT
technologické chlazení a klimatizace
v administrativních budovách, mezi které je zahrnut i odvod tepelné zát že od IT, jež jsou nezbytnou
sou ástí každé moderní administrativní budovy.
1.2 Metody
V práci byly použity ty i základní metody. Jsou jimi rešerše a vyhodnocení rozsáhlých zahrani ních
výzkum a zkušeností. Dále byly provedeny analýzy a syntézy okrajových podmínek a posouzení
použitelnosti princip nízkoenergetického chlazení v našich klimatických podmínkách. Pro detailní
ešení vybraných p ípadových studií je pak použito po íta ové simulace energetických bilancí budov.
Po íta ové simulace jsou dopln ny o n která m ení a monitorování sloužící ke kalibraci model a
up esn ní okrajových podmínek.
1.3 Struktura a len ní diserta ní práce
P edkládaná diserta ní práce má pom rn
široký záb r. Jednotlivé metody nízkoenergetického
chlazení využívají rozdílných fyzikálních princip , což souvisí i s rozsahem jejich teoretických
základ . Vzhledem k tomuto širokému záb ru a množství studií a rozbor zpracovávaných v pr b hu
pom rn dlouhého asového období ešení této problematiky, je ada studií a rozbor prezentována
velmi stru n s odkazem na detailní výzkumné zprávy a publikace autora. Podobn bylo v rámci této
diserta ní práce využito i díl ích výsledk
Miloš Lain 2007
i záv r n kterých diplomových prací zabývajících se
3
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
touto problematikou, které vznikly pod vedením autora diserta ní práce a na kterých se autor sám
výrazn podílel.
V souvislosti s tím, že je v této práci ešeno množství samostatných problém , nebylo možné p esn
lenit jednotlivé kapitoly na popis stávajícího stavu ešené problematiky, teoretický základ a vlastní
ešení, analýzy a záv ry. P esto je však tento p ístup k ešení problematiky dodržován, avšak
v n kterých p ípadech až na úrovni jednotlivých témat (kapitol).
Diserta ní práce je rozd lena celkem do 12 kapitol. V první kapitole, následující po úvodu (kapitola 2)
jsou prezentovány výsledky rešerší a stanovení obecných okrajových podmínek pro
ešení
problematiky nízkoenergetického chlazení. V následující kapitole . 3 pokra ují definice okrajových
podmínek, které jsou již dopln ny o analýzy a nástroje vztahující se k podmínkám
eské republiky,
zna ná ást této kapitoly už je vlastní prací autora.
V následujících kapitolách (4 a 5) jsou prezentovány výsledky rešerší a v decké analýzy pro jednotlivé
základní metody pasivního a nízkoenergetického chlazení, a to v etn
podklad
pro p edb žné
dimenzování jednotlivých metod nízkoenergetického chlazení a posouzení jejich aplikovatelnosti u
nás.
V kapitolách 6 až 11 jsou následn prezentovány konkrétní p ípadové studie zpracované metodou
po íta ových simulací. Tyto studie ilustrují na p íkladech ešení reálných problém skute ných staveb
vhodnost metody po íta ových simulací pro detailní návrhy systém nízkoenergetického chlazení,
p ípadn prezentují obecné rozbory pro typové stavby.
Kapitola 6 stru n shrnuje po íta ové simulace budov s prvky pasivního chlazení, je to budova galerie
s velkou tepelnou hmotou (kap. 4.3), p edb žná studie pro nov stav nou administrativní budovu
s pasivním chlazením a studie ešící p irozené v trání a odvod teplené zát že spojovací lávky
administrativních budov. Kapitola 7 stru n prezentuje výsledky po íta ových simulací pro uplatn ní
adiabatického chlazení. Kapitola 8 obsahuje výsledky obecné studie, která na vybrané typické
kancelá i posuzuje možnosti použití no ního chlazení pro administrativní budovy.
Kapitola 9 prezentuje velmi rozsáhlou studii v rámci které byl na základ m ení a monitorování,
zpracován detailní model chování administrativní budovy s kombinací no ního a strojního chlazení.
Tento detailní model byl použit pro optimalizaci provozu budovy.
Kapitola
10
prezentuje
optimalizaci
velmi
rozsáhlé
administrativní
budovy
s prvky
nízkoenergetického chlazení jak po íta ovou simulací, tak p i uvád ní do provozu, kdy byla
monitorováním a m ením ov ena rozhodnutí provedená na základ po íta ových simulací.
P ípadová studie v kapitole 11 eší po íta ovou simulací stropní sálavé chlazení s akumula ní hmotou
pro práv stav nou budovu.
Poslední kapitolou je záv r, který shrnuje výsledky celé diserta ní práce.
Miloš Lain 2007
4
Nízkoenergetické chlazení budov -
2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Podklady pro ešení nízkoenergetického chlazení
V této ásti práce jsou shrnuty základní podklady pro ešení nízkoenergetického a pasivního chlazení.
Jednotlivé podkapitoly nabízejí jak teoretické podklady pro ešení systém , tak okrajové podmínky a
podklady pro posuzování a optimalizaci ešení.
2.1 Historie
Principy nízkoenergetického chlazení mají pom rn dlouhou tradici. Nejedná se tedy o
žádnou
novinku. Prezentované metody byly ve velké mí e využívány zejména v období p ed rozší ením
kompresorového chlazení a klimatizace.
ada historických budov doposud uspokojiv funguje bez
strojního chlazení. V historických budovách byly používány prvky pasivního chlazení (vn jší stín ní,
žaluzie, t žké konstrukce), p irozené v trání ( okny, v tracími šachtami apod.). Pozd ji našlo své
využití adiabatické chlazení i zemní vým níky ve spojení s nuceným v tráním.
Zajímavým p íkladem historických chladících systém jsou nap íklad divadla, která byla vybudována
koncem 19. století firmou Fellner & Helner (viz Kaiser 2003). Tento systém byl založena na nuceném
p ívodu vzduchu, bylo využíváno i p irozeného proud ní a komínového tahu vznikajícího nad lustrem
osazeným sví kami. P ivád ný vzduch byl v zimn oh íván kalorifery a v lét chlazen odpa ováním
vody (adiabatické chlazení).
Obr.2.1: Schéma v trání divadla (vlevo), odvodní otvor nad lustrem divadla v Karlových Varech
(vpravo naho e), p vodní zd ná vlh ící komora divadla v Litv (vpravo dole)
Miloš Lain 2007
5
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.2 Sdílení tepla p i nízkoenergetickém chlazení
Obecn m že být teplo sdíleno vedením (kondukce), p estupem (konvekce) a sáláním (radiace).
Základní principy sdílení tepla jsou všeobecn známé a jsou publikovány krom jiného ve výukových
textech (Hemzal 2007, Nový 2000, Sazima 1989). P i ešení nízkoenergetického chlazení je hlavním
problémem pot eba paralelního výpo tu nestacionárního vedení tepla ve st n s okrajovou podmínkou
danou p estupem tepla mezi vzduchem a st nou a bilancí sálavých tepelných tok .
2.2.1
Vedení tepla
ešení vedení tepla vychází z Fourierovy rovnice popisující nestacionární p enos tepla bez uvažování
vnit ních zdroj :
∂t
∂ 2t ∂ 2t ∂ 2t
= a⋅
+
+
∂τ
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
kde a =
λ
............................................................2.1
ρ ⋅c
Pro st ny v tšinou vycházíme z jednorozm rného vedení tepla
∂t
∂ 2t
= a ⋅ 2 ..............................................................................................................2.2
∂τ
∂x
Existují t i základní zp soby ešení této rovnice. Zjednodušené stacionární ešení využívá známou a
hojn používanou rovnici vedení tepla rovinou i válcovou st nou. Druhou variantou jsou analytická,
nestacionární
ešení p i idealizovaných okrajových podmínkách skokové zm ny teploty nebo
periodické zm ny teploty (Sazima 1989, Hemzal 2007). Výsledky analytických ešení byly aplikovány
pro zjednodušené p ípady ešení nestacionárního vedení tepla (Chyský 1995,
SN 730548). T etí
metodou je numerické ešení diskretizací prom nných na soustavu lineárních algebraických rovnic.
Pro ešení rovnice 2.2. lze použít metody kone ných diferencí (Dunovská 1999). Toto ešení využívají
simula ní programy. V programu ESP-r je každá vrstva ve st n reprezentována t emi uzly, z nichž
prost ednímu je p i azena polovina hmoty (tlouš ky) vrstvy a okrajovým uzl m tvrtina. Okrajové
uzly pak navazují na okrajové podmínky definované další vrstvou nebo p estupem tepla na povrchu
st ny. Detailní popis numerického ešení nestacionárního vedení tepla ve st nách lze nalézt v ad
publikací (Clarke 1985, Nakhi 1995, Dunovská 1999).
Obr. 2.2: Diskretizace .vedení tepla ve st n v programu
ESP-r (Nakhi 1995)
Miloš Lain 2007
6
Nízkoenergetické chlazení budov -
2.2.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Konvekce
P i p estupu tepla konvekcí dochází k p edávání tepla mezi tekutinou a pevnou st nou. Konvekce
m že být volná (vyvolaná vztlakovými silami, které vznikají p i rozdílu tíhy), vynucená (vyvolaná
vynuceným proud ním tekutiny, nap . proud ním vzduchu v prostoru) a kombinovaná. Kombinovaná
konvekce se uplat uje tam, kde jsou soum itelné vztlakové a setrva ní síly) (Hemzal 2007). P i volné
konvekci je sou initel p estupu tepla funkcí rozdílu teplot povrchu a tekutiny (Obr. 2.3). P i vynucené
konvekci závisí sou initelé p estupu tepla p edevším na rychlosti proud ní. Ve v tšin p ípad
v traných prostor se jedná o kombinovanou konvekci, kde jsou sou initele p estupu tepla závislí na
obou parametrech.
Vztahy
pro
sou initel
výpo et
p estupu
tepla
konvekcí jsou dob e popsány
práce
2007).
Diserta ní
Vladimíra
Zmrhala
hc
(Hemzal
nabízí velmi detailní analýzu
r zných vztah
sou initele
(Zmrhal
pro výpo et
p estupu
2005).
vztahy
tepla
Konkrétní
používané Obr. 2.3: Porovnání sou initel p estupu tepla volnou konvekcí svislé
st ny podle r zných autor (Zmrhal 2005)
programu
v simula ním
ESP- r, v etn vztah pro kombinovaný p estup tepla v místnostech s nuceným v tráním, lze nalézt
v diserta ní práci Iana Beausoleil-Morrisona
(Beausoleil-Morrison 2000). Základní sou initele
p estupu tepla v programu ESP-r vycházejí ze vztah
pro místnosti bez intenzivního vnit ního
proud ní. Rozší ené sou initele p estupu tepla konvekcí lze aplikovat i v p ípadech nuceného v trání.
Nap íklad standardní vztah pro ur ení sou initele p estupu tepla stropu je:
hc = 3 ⋅10 ⋅ ∆t 0,17 ........................................................................................................2.3
Rozší ený vztah pro sm šovací v trání (Beausoleil-Morrison 2000) je potom:
1,4 ⋅
hc =
+
∆T
Dh
TS − T p
∆T
Miloš Lain 2007
1
4
1
3
3⋅ 1
6
6
+ 1,63 ⋅ ∆T
1
3
6
..........................................2.4
⋅ − 0,166 + 0,484 ⋅
I
z
0 ,8
3
7
Nízkoenergetické chlazení budov -
2.2.3
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Sálání
Základní rovnice pro ešení p enosu tepla sáláním je Stefan-Boltzmann v zákon. Rovnici zá ení
šedého t lesa lze zapsat ve tvaru:
qR = c ⋅ ε ⋅
T
100
4
...................................................................................................2.5
kde je
c .................sou initel sálání erného t lesa 5,67 [W / m2K4]
ε ..................emisivita šedého t lesa [-]
Τ .................absolutní teplota [K]
Z této rovnice pak vychází další ešení p enosu tepla sáláním i detailní po íta ové simulace
(Zmrhal 2005, Clarke 1985). Vzhledem k tomu, že emisivity materiál mohou být r zné v závislosti
na vlnových délkách, je p i detailním ešení nutno samostatn
ešit vysokoteplotní sálání (zisky
slune ní radiací) a samostatn nízkoteplotní sálání (sálání st n, osob apod.).
P i zjednodušených
výpo tech se v tšinou definuje sou initel p estupu tepla radiací ( hr). A pro výpo et sdílení tepla
radiací se vychází ze vztahu:
q R = hR ⋅ ∆t ..............................................................................................................2.6
Miloš Lain 2007
8
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.3 P irozené proud ní
Pro p irozené proud ní budovou existují dva zdroje tlaku. Jedná se o rozdíl m rných tíh teplejšího a
chladn jšího vzduchu (v tšinou mezi vnit ním a vn jším prost edím), který zp sobuje rozdíl
hydrostatických tlak sloupce vzduchu. Dále je to p sobení setrva ných sil v tru na budovu.
V d sledku takto vzniklých tlakových rozdíl dochází k proud ní vzduchu otvory v budov .
ást
tlakové energie se m ní na kinetickou energii vzduchu protékajícího budovou a ást slouží pro pokrytí
tlakových ztrát otvor a šachet.
Základem pro ešení p irozeného proud ní je Bernoulliova rovnice (Hemzal 2007) :
p
z2
y +
+
= konst ........................................................................................2.7
ρ ⋅ g 2⋅ g
2.3.1
Proud ní vlivem rozdílných hustot
Rozdíl tlaku vzniklý mezi dv ma sloupci vzduchu o rozdílné hustot
(teplot ) lze odvodit z rovnice
2.8 (Nový 2000):
∆p = p1 − p 2 = g ⋅
h
0
(ρ
1y
− ρ 2 y ) ⋅ dz ......................................................................2.8
Ur íme-li ze stavové rovnice závislost hustoty na teplot , pak lze za p edpokladu stálých teplot (kdy je
pr b h tlaku lineární) odvodit rovnici pro rozdíl tlak pro p irozené v trání:
∆p = p1 − p 2 = g ⋅ z ⋅ (ρ1 − ρ 2 ) = g ⋅ z ⋅
p 1 1
−
r T1 T2
...........................................2.9
Tyto vztahy jsou základem pro ešení v trání vlivem rozdílu teplot venkovního a vnit ního vzduchu.
Vztah 2.8 je základem numerického ešení p i po íta ových simulacích a vztah 2.9 se používá p i
zjednodušeném ešení. Základní parametry ovliv ující tlakový rozdíl, a tím i následné množství
v tracího vzduchu, jsou výška budovy a rozdíl vnit ní a vn jší teploty.
2.3.2
Tlakový rozdíl vyvolaný ú inky v tru
Pozitivní tlak, nebo-li p etlak, je vytvá en na náv trné stran budovy, která je vystavena p ímému
ú inku v tru. Podtlaková oblast se formuje na prot jší, záv trné stran a na bo ních st nách budovy.
Takto vyvolaný tlakový rozdíl má za následek proud ní vzduchu p es vnit ní prostory budovy tak, že
p ívodní otvory jsou v míst obvodového plášt s p etlakem a odvodní otvory v míst s podtlakem.
Velikost tlaku okolního vzduchu na ur itou ást obvodového plášt je dána následujícím vztahem:
pw =
C p ρ w2
2
[Pa].......................................................................................2.10
Cp …….. tlakový koeficient [-]
ρ ………. hustota okolního vzduchu [kg/m3]
w ……… rychlost vzduchu nabíhajícího na budovu [m/s]
Miloš Lain 2007
9
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tabulka 2.1: Konstanty pro výpo et rychlostních profil v tru (Allard 2002)
Charakteristika okolního terénu
K
a
z0
d
Otev ená krajina
0,68
0,17
0,03
0,00
Krajina s osamocenými v trolamy 0,52
0,20
0,10
0,00
Vesnice
0,52
0,25
0,50
0,7h
M sto
0,35
0,25
1,00
0,8h
Velkom sto
0,21
0,33
>2,0
0,8h
α
g
1,00
1,00
0,85
0,67
0,47
0,15
0,15
0,2
0,25
0,35
Rychlost v tru se vypo ítá z funk ní závislosti a rychlosti dané meteorologickým m ením. M ení
rychlosti se provádí v pevné výšce 10 m nad okolním terénem.Vítr v této výšce se v meteorologii
nazývá ,,p ízemní“. Pro získání hodnoty aktuální rychlosti v tru, je nutné do výpo tu zahrnout výšku a
terénní nerovnosti, které obklopují budovu proti sm ru v tru. Sou asn je t eba vypo ítat aktuální
rychlost v tru w p sobícího na jednotlivé ásti budovy. Existuje celá ada vztah pro výpo et profilu
v tru podle výšky. Nejednodušší je vztah založený na prinicipu zachování energie :
w
= K z a .................................................................................................................2.11
w10
z ………….. svislá vzdálenost od zemského povrchu, ve které je rychlost zjiš ována [m]
w10 ………… rychlost v tru dle meteorologických dat [m/s]
K …………... konstanta závislá na terénních nerovnostech [-]
a …………... exponent závislý na terénních nerovnostech [-]
asto se používá i logaritmický rychlostní profil založený na logaritmické závislosti rychlosti v tru na
svislé vzdálenosti od zemského povrchu (Allard 2002):
wl w*,l
=
wm w*,m
z l −d l
z 0 ,l
z − dm
ln m
z 0,m
ln
kde:
w*,l
w*,m
=
z 0 ,l
z 0,m
0 ,1
...................................2.12
z ...... svislá vzdálenost od zemského povrchu, ve které je rychlost zjiš ována [m]
w ...... rychlost v tru dle meteorologických dat [m/s]
z0 ...... terénní nerovnost [m]
d ...... terén nahrazující délka [m]
index m znamená, že hodnota je vztažená na podmínky, p i nichž byla meteorologická data zjišt na
2.3.3
Tlakový koeficient Cp
Tlakový koeficient je empiricky odvozený parametr pro ur ení tlaku p sobícího na budovu, jenž je
zp soben vlivem v tru. Tlakový koeficient zahrnuje vliv p ekážek obklopujících budovu . Hodnoty
koeficientu se m ní v závislosti na sm ru v tru, orientaci plochy budovy a terénních nerovnostech
proti sm ru v tru. Hodnotu koeficientu lze získat experimentáln (m ením na modelu), po íta ovou
Miloš Lain 2007
10
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
simulací proud ní vzduchu kolem budovy (CFD) a pro n které základní konfigurace i analyticky
výpo tem z odvozených vztah . Analytický model (Grosso1992) je založen na parametrické analýze
výsledk z dvojího m ení v aerodynamickém tunelu. Skládá se z množství vztah mezi tlakovým
koeficientem odvozeným z modelu budovy obdélníkového tvaru a množstvím ovliv ujících
parametr . Tyto parametry lze rozd lit do t í skupin. První skupinu p edstavují klimatické parametry
(exponent rychlostního profilu v tru, úhel výskytu v tru); druhou skupinu tvo í parametry venkovního
prostoru (hustota zástavby okolo budovy, relativní výška okolních budov v i budov
ešené, p i emž
se p i výpo tu p edpokládá, že obklopující budovy jsou pravidelné kvádry o stejné výšce). T etí
skupinu p edstavují geometrické parametry budovy.
Pr b h tlakových koeficient pro jednotlivé body strany 2 v závislosti na úhlu v tru
1.2
xl-relativní
pozice na
ploše
1.0
Tlakový koeficient - Cp [-]
0.8
0.6
0.4
0,06
0.2
0.17
0.0
0.28
-0.2
0.39
-0.4
-0.6
0,5
-0.8
0.61
-1.0
0,72
-1.2
0,83
Úhel v tru od normály -
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-1.4
0,94
[°]
Obr. 2.4: Ukázka pr b hu tlakových koeficient v tru (Honc 2001)
2.3.4
Proud ní vzduchu otvory
Pro p irozené v trání je rozhodující tlakový rozdíl p sobící na otvor v plášti budovy. Dispozi ní tlak
daný sou tem tlakových ú ink rozdílných hustot a tlakových ú ink vlivem v tru se rozd lí na
jednotlivé tlakové odpory (p ívodní otvor, vnit ní propojení a odvodní otvor). P i p irozeném v trání
budov se nej ast ji vyskytují t i typy otvor (Hensen 1991):
Št rbiny (typický rozm r menší než 10 mm), pro které platí rovnice
m = C⋅ l ⋅ (∆p )
n
.................................................................................................(2.13)
m ……. pr tok št rbinou [kg/s]
∆p …… tlakový rozdíl na otvoru [Pa]
l ……. délka št rbiny [m]
n …….. pr tokový exponent [-]
C …….. pr tokový koeficient [kg s-1 m-1 Pa-n]
Miloš Lain 2007
11
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Hodnota pr tokového exponentu n závisí na režimu proud ní a je n = 0,5 pro pln turbulentní
proud ní a n = 1,0 pro laminární proud ní. V praxi se hodnoty pr tokového exponentu pohybují
v rozmezí od 0,6 do 0,7.
Rozlehlé otvory (typický rozm r v tší než 10 mm)
m = C d ⋅ A ⋅ 2 ⋅ ρ ⋅ ∆p ...........................................................................................(2.14)
Otvory s obousm rným proud ním definovaný podle Cockrofta (nap . dve e)
m=ρ⋅
2
2
⋅ Cd ⋅ W ⋅ H ⋅
3
ρ
1
3
2
⋅
3
C a 2 ⋅ −C b 2
Ct
...............................................(2.15)
kde
Ca = 1 −
Hr
Hr
⋅ C t + ∆p C b = ∆p −
⋅ Ct
H
H
Ct = g ⋅ pa ⋅
H 1 1
⋅
−
ra Ti Te
Cd ..... ..........výtokový sou initel [-]
A .................plocha otvoru [m2]
ρ..................hustota vzduchu [kg/m3]
∆p ...............rozdíl tlak [Pa]
H .................výška otvoru [m]
Hr................referen ní výška [m]
ra .................plynová konstanta suchého vzduchu [287,1 J/kgK]
pa .................atmosférický tlak [Pa]
g..................tíhové zrychlení [m/s2]
T .................absolutní teplota vzduchu [K]
Miloš Lain 2007
12
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.4 Po íta ové simulace
Základním nástrojem pro ešení detailního navrhování a optimalizaci systém nízkoenergetického
chlazení jsou po íta ové simulace.
2.4.1
Integrovaná po íta ová simulace
Po íta ová simulace je jednou z nejnáro n jších metod pro posouzení chování budov a systém
techniky prost edí, kterou lze uplatnit p i detailním návrhu klimatiza ních za ízení nebo posouzení
pasivního chlazení (Lain 1999, Barták 2001, Drkal
2001). Od standardních návrhových postup
se liší
p edevším kompletním zahrnutím dynamiky chování
budovy a systému. Práv to je d vod vhodnosti užití
této metody pro ešení systém s vysokou akumulací
(Obr. 2.5).
Hlavní nevýhodou po íta ových simulací jsou výrazn
vyšší nároky p i sestavování modelu a zpracování
výsledk vlastní simulace. Nároky jsou kladeny jak na
množství a kvalitu vstupních informací a použitou
výpo etní techniku, tak na odbornou zp sobilost osob Obr. 2.5: Schéma integrované po íta ové
simulace
ešících daný problém. Na druhé stran je však
nespornou p edností simulace velmi detailní analýza a možnost porovnání n kolika variant ešení.
Integrovaná simulace nepracuje pouze s budovou, ale zahrnuje i chování systém
s budovou
spojených (vytáp ní, v trání a klimatizace), zdroj energie a navíc zohled uje i zm ny vnit ních i
venkovních podmínek. Vzhledem k tomu, že výsledky po íta ové simulace jsou velmi podrobné, lze
je asto použít i k vyhodnocení dalších parametr (nap íklad parametr tepelného komfortu).
2.4.2
ESP-r
Pro integrované po íta ové simulace bylo použito simula ní prost edí ESP-r (Environmental System
Performance – research). Tento program byl vyvinut na University of Sthratclyde v Glasgow a
p edstavuje komplexní nástroj pro po íta ové simulace budov a áste n i systém techniky prost edí.
Program je celosv tov hojn užíván a uznáván a spolu s programem EnergyPlus (DOE) ho lze nazvat
základním nástrojem pro ešení energetických bilancí budov.
Program ESP-r je založen na komplexním numerickém ešení všech energetických tok v budov a
systému. Prost edí programu je graficky orientované a obsahuje i podklady o klimatu a stavebních
konstrukcích. Výpo ty zahrnují stín ní, spektrální a úhlové zohledn ní optických vlastností oken,
ur ení parametr komfortu, modelování proud ní vzduchu a jiné. Program je ur en p edevším pro
výzkum. Z tohoto d vodu je také hlavní d raz kladen na exaktnost a možnost nastavení okrajových
podmínek výpo t . Po íta ová simulace vychází z ešení energetických bilancí jednotlivých zón.
Miloš Lain 2007
13
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Každá zóna je ohrani ena stavebními konstrukcemi. V celé zón se p edpokládá konstantní teplota
vzduchu.
Základem pro výpo et je model budovy, který popisuje geometrii a detailní tepeln
technické
vlastnosti jednotlivých st n, jejich vrstev a povrch . U pr svitných konstrukcí se definují pohltivosti a
odrazivosti jednotlivých vrstev v závislosti na úhlu dopadu slune ního zá ení. Vnit ní zisky jsou
definovány bu jako celkové ve W nebo m rné ve W/m2. Definován je i pom r sálavé a konvektivní
ásti tepelných zisk . Dalším d ležitým parametrem simulace jsou tepelné toky zp sobené proud ním
vzduchu. Ty lze definovat jako asový pr b h intenzit v trání, p ípadn pr tok vzduchu p ivedeného
z jiné zóny. Pr b h intenzity v trání lze definovat i jako sí
ešící proud ní vzduchu (flow network) a
tu sí následn propojit s danou zónou. Podobným zp sobem je možné definovat i sí tepelných tok
reprezentující klimatiza ní i vytáp cí systém.
Simulace vychází z hodinových klimatických dat.Pro budovu se simulace v tšinou provádí
v hodinovém kroku, a to bu
z vybraného
asového období nebo se využívá referen ní rok
odpovídající pro dané místo.
Zónová metoda simulace vychází z p edstavy budovy jako souboru kone ného po tu ohrani ených
makroskopických zón, které se vzájemn liší velikostí a vnit ními podmínkami (ESRU 2001, 2002).
Každá zóna se chová jako dokonale promíchávaná nádoba tzn., že její vnit ní prost edí je teplotn
a vlhkostn homogenní. Teploty vzduchu a st n v zónách se mohou m nit s asem. Mezi jednotlivými
zónami navzájem nebo mezi zónami a okolím je možná vým na energie (vedení, proud ní a sálání
tepla) a vým na hmoty (proud ní vzduchu).
Po íta ová simulace objektu poskytuje p edpov
tepelných ztrát, tepelných zát ží, parametr
vnit ního prost edí (v etn teploty povrch st n) a spot eby energie jak na vytáp ní, tak chlazení, a to
pro jednotlivé zóny i pro simulovaný objekt jako celek. Nutnou podmínkou pro získání relevantních
výsledk
je zadání pr b hu venkovních klimatických podmínek (obvykle s hodinovým asovým
krokem).
Pro daný okamžik je v celé zón pouze jedna reprezentativní hodnota teploty vzduchu. Každá st na
jakékoli zóny má jedinou povrchovou teplotu, p i emž teploty jednotlivých st n v jedné zón se
mohou navzájem lišit. Z principu zónové metody plyne, že není možné vystihnout n které detaily
týkající se sledované zóny. Nap íklad není možné pozorovat obrazy proud ní podél st n, lokální vliv
tepelných most , rozložení teplot vzduchu v prostoru apod.
2.4.3
ESP-r sí proud ní (Flow network)
Pro simulaci proud ní mezi zónami v budov
i mezi zónou a okolím (venkovním prost edí) slouží
modul programu ESP-r - tzv. sí proud ní (flow network). Modul využívá uzlovou sí (Obr. 2.6).
Jednotlivé uzly (nod) jsou propojeny (connection) p es p edem definované komponenty (component).
Metoda ešení pr tok vzduchu je založena na principu rovnice kontinuity a Bernouliho rovnice
v tlakové form . Jednotlivé tlakové uzly mohou být navázány na ur itou zónu nebo mohu mít formu
Miloš Lain 2007
14
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
okrajových podmínek, a to bu vn jšího prost edí s ur ením orientace a tlakového sou initele v tru,
p ípadn konstantních tlakových pom r . Každá komponenta (component) má definovanou závislost
tlakových ztrát a pr toku vzduchu (Hensen 1991).
Spojení
Komponent
a
Uzel
Uzel
Obr. 2.6 : Schéma propojení sít proud ní – naho e celá sí (Hensen 1991), dole detail jednoho spojení
2.4.4
Validace a verifikace programu
Tato práce si v žádném p ípad neklade za cíl jakoukoli validaci (ov ení platnosti) nebo verifikaci
(ov ení správnosti) programu ESP-r. Validace i verifikace programu byly provedeny v rámci ady
mezinárodních projekt a výzkumných prací. P i správném použití a zadávání vstup lze výsledky
získané simulací v programu ESP-r považovat za správné. Validace programu zahrnovaly p edevším
následující oblasti: Rešerše použitých teorií; Kontrola programování; Analytické ov ování; Vzájemné
srovnávání program ; Porovnávání simulovaných a experimentáln zjišt ných hodnot.
Strachan
(2006) zmi uje 21 nejrozsáhlejších valida ních a verifika ních projekt a 8 základních PHD prací
zabývajících se ov ováním a dalším vývojem programu. ESP-r bylo zahrnuto do všech program
Mezinárodní energetické agentury (IEA anex 1,4,10,21, IEA task 8,22) zabývající se po íta ovými
simulacemi. ESP-r slouží i v ad p ípad jako referen ní model pro ov ování dalších program .
Na správnost výsledk mají velký vliv vstupní hodnoty a správné použití programu. Pro program
ESP-r není zatím zaveden jednotný systém validace uživatel . Základem krokem k jakési validaci
uživatel programu ESP-r jsou kurzy, školení a rovn ž individuální konzultace. Autor této práce
absolvoval základní a následn i pokro ilý kurz již v roce 1996, a to p ímo na vývojovém pracovišti
programu (ESRU Unit, Mechanical Engineering Faculty, University of Strathclyde). Autor práce s
tímto
pracovišt m
spolupracoval
i
na
n kolika
dalších
výzkumných
projektech.
Jedny
z nejnáro n jších simulací (viz p ípadová studie v kap. 9) byly zpracovány v pr b hu roku 2003
b hem druhé stáže na pracovišti této univerzity.
Miloš Lain 2007
15
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.5 Po íta ové simulace a role projektanta
Každý projektant provádí ur itou optimalizaci ve všech stupních projektové dokumentace a snaží se
navrhnou takový systém, který co nejlépe zajistí kvalitní prost edí a zárove bude mít minimální
spot eby energie. Tato role projektanta je však velmi komplikována stávajícím standardem, kdy je
obvykle každý stupe
projektové dokumentace zpracováván jiným subjektem. Situaci navíc
komplikuje skute nost, že spolupráce jednotlivých profesí je asto velmi omezená i problematická. V
situaci takto komplikovaného postupu je pro koordinaci a p enos myšlenek a idejí d ležitá role
investora a odborného konzultanta.
Podobný problém nastává v p ípad dopln ní projektu o odborné studie. Detailní studie a po íta ové
simulace se používají v tšinou pro vy ešení konkrétního díl ího problému. Detailní po íta ové studie
však mají velký potenciál i pro další stupe , a to p i optimalizaci v rámci komplexního p ístupu
k projektování výstavby a uvád ní budovy a systému do provozu.
Využití po íta ových simulací v projektování systém v trání a klimatizace budov m že být velmi
rozmanité a široké. Simulace se mohou uplatnit od prvních koncep ních rozhodnutí až po finální
optimalizace provozu. V procesu projektování a výstavby vzniká zna ný rozpor v požadavcích a
použitelnosti simulací (Hopfe 2006). V po áte ních stádiích dochází k nejd ležit jším projek ním
rozhodnutím a výsledky po íta ových simulací by byly pro projektanta jednozna n velmi užite né.
Nicmén
v této po áte ní etap
sou asn
není ješt
dostatek informací, které jsou pro detailní
po íta ovou simulaci podmínkou. Naopak ve stádiu, kdy je k dispozici již dostate né množství
podklad pro detailní po íta ové simulace, je budova a systém tém
navržena a tv r í proces ukon en
(Obr 2.7).
použitelnost simulací
zkušenosti a
znalosti
tv r í proces
Obr. 2.7: Schéma použitelnosti simulací a tv r ího procesu projektant (Hopfe 2006)
Miloš Lain 2007
16
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.6 Legislativa eské republiky a Evropské unie
Legislativa v eské republice se již léta zabývá spot ebou energie pro vytáp ní budov. Spot eba
energie na chlazení budov však z stávalo po dlouhou dobu pon kud opomenuto. Impulsem, kterým se
i chlazení stalo p edm tem zájmu a za alo se za le ovat do našich zákon , je proces probíhající
v Evropské unii. Jedná se o proces ozna ovaný EPBD (Energy Performance Building Directive), jehož
cílem je snížení veškeré energetické spot eby budov. V rámci EPBD vznikl soubor požadavk a
doporu ení pro energetické hodnocení budov (sm rnice 2002/91/ES o energetické náro nosti budov).
lenské státy EU se zavázaly tyto požadavky týkající se energetické spot eby budov p ijmout a
implementovat do vlastních zákon a vyhlášek. V tomto souboru je energetické hodnocení budov
(energetický štítek), které má zahrnovat krom jiného i spot eby energie na chlazení. Dále se jedná o
požadavek na provád ní inspekcí klimatiza ních za ízení o jmenovitém výkonu v tším než 12 kW.
Energetickou náro nost budov upravuje Zákon . 177/2006 Sb., kterým se m ní zákon . 406/2000 Sb.
o hospoda ení energií ve zn ní pozd jších p edpis .
2.6.1
Pr kaz energetické náro nosti budov
Dne 1. 7. 2007 vešla v ú innost nová vyhláška . 148/2007 o energetické náro nosti budov, která
definuje tzv. Pr kaz energetické náro nosti budovy. Tento pr kaz nahrazuje p edchozí Energetický
pr kaz budovy podle vyhlášky . 291/2001 Sb.. Nový pr kaz energetické náro nosti budovy hodnotí
budovu z hlediska všech energií, které do budovy vstupují – tedy z hlediska energie na vytáp ní,
chlazení, oh ev teplé vody, v trání a osv tlení. Pr kaz energetické náro nosti budovy bude podle
novely energetického zákona od 1. 1. 2009 povinnou sou ástí dokumentace p i stavb nových dom
a v mnoha dalších p ípadech.
Tab. 2.2: Klasifika ní t ídy hodnocení energetické náro nosti budovy podle vyhlášky 148/2007 Sb.,
hodnoty jsou uvedeny v kWh·m-2 za rok (Kabele 2007)
Druh budovy
A
B
C
D
E
F
G
Rodinný d m
< 51
51 - 97
98 - 142
143 - 191
192 - 240
241 - 286
> 286
Bytový d m
< 43
43 - 82
83 - 120
121 - 162
163 - 205
206 - 245
> 245
Hotel
a restaurace
< 102 102 - 200
201 - 294
295 - 389
390 - 488
489 - 590
> 590
Administrativní
budova
< 62
124 - 179
180 - 236
237 - 293
294 - 345
> 345
Nemocnice
< 109 109 - 210
211 - 310
311 - 415
416 - 520
521 - 625
> 625
< 47
47 - 89
90 - 130
131 - 174
175 - 220
221 - 265
> 265
< 53
53 - 102
103 - 145
146 - 194
195 - 245
246 - 297
> 297
Budova
pro
< 67
velkoobchod
a maloobchod
67 - 121
122 - 183
184 - 241
242 - 300
301 - 362
> 362
Budova
vzd lávání
Sportovní
za ízení
Miloš Lain 2007
pro
62 - 123
17
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Povinnost zpracovat a na ve ejném míst vystavit pr kaz energetické náro nosti budovy budou mít
také provozovatelé budov (blíže specifikovaných v novele zákona 177/2006 Sb) nad 1000 m2
podlahové plochy. Pr kaz energetické náro nosti budovy klasifikuje budovy do sedmi kategorií - od
velmi úsporných (A) až po mimo ádn nehospodárné (G).
Podrobnosti hodnocení požadavk
na energetickou náro nost budovy pro za azení budovy do
p íslušné klasifika ní t ídy jsou stanoveny podle tabulky 2.2 pro vypo tenou ro ní m rnou spot ebu
energie v kWh·m-2. M rné spot eby energie v kWh·m-2 ve t íd C jsou pro vyjmenované druhy budov
hodnotami referen ními (Kabele 2007).
2.6.2
Kontrola klimatiza ních za ízení
Cílem pravidelné kontroly klimatiza ních za ízení je snížit spot ebu energie a omezit emise oxidu
uhli itého. Kontrola by m la zahrnovat posouzení ú innosti klimatizace a velikosti za ízení
v porovnání s požadavky na chlazení budovy. Práv tento požadavek p edstavuje základní problém
kontrol klimatiza ních za ízení. Kontrola by nem la být zam ena pouze na ov ení ú innosti
systému, ale m la by sou asn posoudit i vhodnost systému a jeho provozování s ohledem na pot eby
budovy.
Hledáme-li minimální spot ebu energie p i zajišt ní požadovaných parametr
prost edí, je t eba
posoudit jak vlastní klimatiza ní za ízení, tak jeho provozování a regulaci v kontextu s budovou a
požadavky na vnit ní prost edí. To nelze provést žádným jednoduchým výpo tem i testem. Systém,
budova, klimatizace i regulace má adu vstupních parametr , které výrazn ovliv ují jak spot ebu
energie, tak parametry vnit ního prost edí.
Proto pokud by kontrola m la být východiskem pro zajistit ur ité optimalizace, vyžadovala by
zpracování ady studií, výpo t , po íta ových simulací, m ení a testování. Takové posouzení je však
asov i finan n velmi náro né a nelze ho proto pro každou budovu s klimatizací se jmenovitým
výkonem nad 12 kW provést.
V prvním konceptu pro kontrolu (inspekci) klimatiza ních systém zpracovaném v rámci projektu
Phare CZ2003/004-338.02.02 (Lain, Kodytek 2005), který vychází z dokumentu TC 156 (2005), je
rozsah p sobnosti( eho, koho?) definován takto:
Kontrola by m la posoudit následující body:
p vodní navrženou koncepci systému a jeho regulaci vzhledem k typu a provozu budovy
shodu systému s originálním
ešením (projektem) a následné úpravy, skute né požadavky
vzhledem k sou asnému stavu budovy
správné fungování systému
funkci a nastavené hodnoty r zných ovládacích/regula ních prvk
funkci a montáž r zných komponent
p íkon a výsledný energetický výkon.
Kontrola klimatiza ních systém by m la probíhat v následujících krocích:
Miloš Lain 2007
18
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Seznámení se a posouzení p vodní dokumentace systému (projektová dokumentace, energetické
studie a posudky zpracované v rámci projektu).
Seznámení se s dokumentací zm n systému i budovy (projektová dokumentace zm n, evidence
zm n v provozu budovy i klimatiza ního systému).
Seznámení se s dokumentací uvedení do provozu, revizí a posudk (protokoly uvedení za ízení do
provozu, revize, energetické studie, m ení, posudky a audity zpracované b hem provozu).
Seznámení se se záznamy m ení spot eby energie pro chlazení budovy a klimatiza ního systému.
Dalším kroky kontroly:
Prohlídka (vizuální kontrola) jednotlivých ástí klimatiza ního systému a ov ení jejich shody
s p vodním projektem i dokumentací zm n (zdroje chladu, vým níky, ventilátory, systém m ení
a regulace).
Ov ení funkce klimatiza ního systému a jeho komponent (zdroje chladu, vým níky, ventilátory)
Ov ení provozu a regulace klimatiza ního za ízení (záznamy m ení a regulace, ov ení
parametr vnit ního prost edí).
Cílem kontroly je vypracování zprávy obsahující záv ry jednotlivých krok
zhodnocení, návrhy na dopln ní podklad
kontroly, jejich
a doporu ení zm n, odstran ní nedostatk
a zlepšení
provozu klimatiza ního systému.
Výsledná vyhláška vydaná ministerstvem pr myslu a obchodu 19. íjna 2007 je velmi stru ná,
v zásad se shoduje s výše zmín ným postupem.
Kontrola klimatiza ních systém zahrnuje:
a) identifikaci klimatiza ního systému
b) posouzení dokumentace z hlediska úplnosti a aktuálnosti
c) vizuální prohlídku klimatiza ního systému na p ístupných místech
d) ov ení stavu údržby klimatiza ního systému
e) ov ení funkce klimatiza ního systému
Kontrola klimatiza ního za ízení provád ná v rozsahu a podle výše popsané metodiky spl uje
požadavky sm rnice 2002/91/Es. Je však otázkou, jak d kladn by m lo být k jednotlivým krok m
p istupováno, jak detailní ešení bude požadováno.
P i p ílišném zjednodušení se z kontroly stane jen další zbyte ný byrokratický úkon. Na druhou stranu
pro detailní ešení asto chybí prost edky, as a i dostate ný po et odborník .
Navíc v eské republice nebyla a stále není spot eb energie pro chlazení v nována dostate ná
pozornost. Naprosto chybí sledování této spot eby, a to jak u provozovatel budov (není na ízeno
odd lené m ení spot eby energie pro chlazení a provoz klimatizace), tak centrální sb r a
vyhodnocování dat.
Je pravd podobné, že výše zmi ované zákony a vyhlášky p isp jí k zvýšení zájmu o snížení spot eby
energie budov pro chlazení. Stávající stav legislativy však dosud není dostate n ú inným nástrojem
pro výrazné prosazení nízkoenergetického chlazení budov.
Miloš Lain 2007
19
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
2.7 Administrativní budovy v eské Republice
V této kapitole je podán zkladní p ehled o typu administrativních budov vyskytujících se v eské
republice, systémech chlazení a klimatizace v t chto budovách a možnostech uplatn ní
nízkoenergetického chlazení.
Je velmi obtížné ur it typickou podobu administrativní budovy. P estože v dob 60. a 70. let minulého
století, kdy byla komunistickým režimem výstavba obytných dom v celé republice typizována a
unifikována, u administrativních budov tento trend nebyl tak výrazný. Lze vysledovat ur ité základní
etapy a podle nich provést ur ité len ní administrativních budov. Výstavba administrativních budov
je založena na konkrétním architektonickém návrhu. N kte í architekti navrhují budovy p edevším
s d razem na estetické parametry, ale ada architekt hledá i ešení zohled ující energetické nároky.
To se odráží ve velkém množství r zných podob administrativních budov, kdy byly vybudovány jak
pln prosklené budovy (30. léta minulého století), tak masivní budovy z plných cihel, které byly
budovány zejména v letech devadesátých.
2.7.1
Masivní historické budovy
Do kategorie masivních historických budov spadají všechny
rekonstruované historické budovy v centru Prahy a ad dalších
m st. Tyto budovy jsou nez ídka využívány jako administrativní
budovy
a již státní správou nebo zahrani ními i domácími firmami. Do
této kategorie lze za adit rovn ž budovy, které byly vystav ny
jako administrativní a období dokon ení výstavby spadá p ibližn
do padesátých let minulého století.
Jedná se o masivní budovy
z plného zdiva (cihla nebo kámen) s relativn malou plochou oken
(cca 30 % fasády). Tyto budovy, už vzhledem k dob
svého
vzniku, byly stav ny jako neklimatizované, pasivní. P estože se
jedná vesm s z pohledu klimatizace o pasivní budovy, byly a
n které z nich jsou i v sou asné dob schopny zajistit p ijatelné
pracovní podmínky a tepelnou pohodu osob (Obr. 2.8).
P í inou mnoha problém a dodate ných instalací klimatizace je
p edevším zm na užívání budovy. S rostoucím zefektiv ováním
využití kancelá ských prostor klesá p dorysná plocha na jednoho
pracovníka a zárove roste tepelná zát ž od kancelá ské techniky.
P i rekonstrukcích se navíc asto osazují podhledy a dodate né
tepelné izolace, které výrazn snižují schopnost akumulace tepla
Obr. 2.8: Ukázky fasád
masivních historických budov
(Valdštejnský palác,
palác Metro)
do stavebních konstrukcí. P i dodate né instalaci klimatiza ních i pouze chladicích jednotek jsou tyto
jednotky v mnoha p ípadech výrazn p edimenzovány a navíc i nevhodn provozovány. Pro masivní
Miloš Lain 2007
20
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
historické budovy se asto jako nejvhodn jší jeví zachování pasivního charakteru stavby, omezení
vnit ních i vn jších tepelných zisk a p ípadn zajišt ní mírného chlazení nap íklad formou nuceného
p ívodu tepeln upraveného vzduchu.
2.7.2
Budovy s prefabrikovaným plášt m
U administrativních budov realizovaných v polovin minulého století je možné vysledovat ur itou
tytpizaci. Vznikla
ada budov s monolitickým betonovým skeletem a lehkým obvodovým
sendvi ovým plášt m, s velkým podílem oken (cca 60 %) (Obr. 2.9). V tšina t chto budov nebyla
klimatizována ani nucen v trána a ada z nich m la stropní vytáp ní systémem Crittall (trubky
sou ástí stropní konstrukce). Tyto budovy jsou v sou asné dob
asto rekonstruovány, u n kterých se
Obr. 2.9: Fasáda budovy s prefabrikovaným plášt m (fakulta strojní VUT v Praze),
celkový pohled a detail
provádí vým na celého plášt nebo dochází alespo k vým n oken a nez ídka je i dodate n
instalováno chlazení (klimatizace). Tyto budovy mají pom rn dobré základní podmínky pro využití
no ního v trání, p ípad sálavého chlazení s akumula ní hmotou. Problém však p edstavuje absence
rozvod vzduchu. Problematické jsou i postupné rekonstrukce, kde se bez celkového detailního návrhu
provede osazení klimatiza ních i chladících jednotek.
2.7.3
Pln prosklené plášt
P ibližn od devadesátých let minulého století byla budována ada administrativních budov s pln
proskleným plášt m. Tento architektonický trend ve zna né mí e p etrvává i u sou asných moderních
Obr. 2.10: Moderní budovy
Miloš Lain 2007
21
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
budov. Provedení obvodového plášt i vnit ních konstrukcí je pom rn individuální a vzhledem
k pom rn vysoké tepelné zát ži a vysokému požadovanému tepelnému komfortu se do prosklených
budov již záhy instalovala klimatiza ní za ízení.
2.7.4
Trendy ve výstavn nových administrativních budov
V eské republice neexistuje jednotná metodika pro navrhování nových administrativních budov.
Architektonický projekt budovy je relativn nezávislý a záleží na invenci a zam ení jednotlivých
architekt , jakou podobu budovy vytvo í. Obecn však lze íci, že po et architekt up ednost ujících
celkovou energetickou koncepci budovy p ed estetickými hledisky je pom rn malý. Výsledkem je
pom rn velký podíl pln prosklených administrativních budov, které však postrádají prvky vn jšího
stín ní. V tšina z nich nespadá do kategorie nízkoenergetických budov, p i emž jsou závislé na
klimatizaci (chlazení), bez níž se neobejdou. Existují i nov stav né administrativní budovy bez
klimatizace. I v t chto p ípadech však velmi asto nejsou pln dodrženy zásady pasivního chlazení a
pro dodržení tepelné pohody je klimatizace asto instalována dodate n .
2.7.5
Typická budova pro srovnávací studie
V následujících kapitolách bude pro posouzení možností nízkoenergetického chlazení krom jiného
používána rozsáhlá studie „Alternatives to Compressive Cooling in Non-Residential Buildings to
Reduce Primary Energy Consumption“ zpracovaná Behne (1997).
Tato studie byla zpracována pomocí programového balíku DOE 2 vyvinutého na Lawrence Berkeley
National Laboratory v USA. Studie porovnává jednotlivé alternativní zp soby chlazení se standardním
chlazením využívajícím chladivový ob h. Výpo ty jsou zpracovány pro typickou kancelá skou
budovu (viz obr.2.11) v p ti lokalitách (dv v N mecku, jedna ve Švýcarsku a dv v USA). P evzatý
stru ný popis typické budovy pro srovnávací studie (Behne, 1997) je uveden v této podkapitole.
37.44
18.72
Obr. 2.11: P dorys typického podlaží
Miloš Lain 2007
22
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Výsledky zmín né studie jsou prezentovány v kapitolách zabývajících se jednotlivými metodami
nízkoenergetického chlazení.
Typická kancelá ská budova je p tipodlažní. Její tepeln technické vlastnosti konstrukcí odpovídají
nov stav né budov v roce 1996 v dané lokalit . Obvodové st ny jsou masivní betonové (200 mm),
s tepelnou izolací (120 mm), vzduchovou mezerou (50 mm) a vn jší fasádou. Sou initel prostupu tepla
odpovídá 0,25 W/m2K. Stropy jsou betonové, vnit ní p í ky lehké.
Jako standardní chlazení je uvažován klimatiza ní systém s prom nným pr tokem vzduchu (VAV)
s vodním chladi em. Zdrojem chladné vody je kompresorová jednotka s chladivovým ob hem a
chladicími v žemi. Systém je dopln n o zp tné získávání tepla kapalinovým okruhem. Klimatiza ní
systém byl nejprve optimalizován pro dosažení minimální spot eby enrgie.
Pro možnost posouzení vztažené na
eskou republiku lze aplikovat výsledky odpovídající lokalit
Berlín.
2.8 Spot eba elektrické energie na chlazení budov
Mnohé výsledky zahrani ních studií dokládají, že budovy ve st ední Evrop spot ebovávají 40 až
50% z celkové spot eby primární energie. Z toho p ibližn 10% p ipadá na spot ebu energie pro
chlazení (Santamouris 1996, Heap 2001). V p ípad nov stav ných a rekonstruovaných budovách
díky stéle rostoucím tepelným odpor m st n výrazn klesá
spot eba tepla na vytáp ní. Na druhé stran , obzvlášt
v administrativních prostorách stále rostou tepelné zisky od
kancelá ské techniky a spolu s tím stoupá i spot eba el.
energie
klimatiza ních
za ízení.
V p edchozím období byla klimatizována (chlazena)
zanedbatelná
ást budov, standardem byly budovy bez
Obr. 2.12: Podíl jednotlivých oblastí
na celkové spot eb energie
v
N mecku (Behne 1997)
p edstavuje klimatizace (v tšinou FC jednotkami) již
chlazení.
Pro
nov
stav né
administrativní
budovy
standard.
V naší republice není zatím spot eba energie pro chlazení budov systematicky m ena a sledována a
ani statisticky zpracovávána. Pro sledování a statistické vyhodnocení je pom rn zna nou nevýhodou,
že chladicí a klimatiza ní za ízení spot ebovává ke svému provozu v tšinou el. energii. Spot eba el.
energie je však dodavatelem m ena p evážn pouze pro celý objekt, ímž je zjišt ní spot eby pouze
na provoz chladícího a klimatiza ního za ízení komplikováno. Naopak pro vytáp ní budov se v tšinou
spot ebovává jiná forma energie (plyn, uhlí, dálkové teplo), a proto je vyhodnocení spot eby budovy
pro vytáp ní pom rn snadné.
V eské republice odpovídají maximální spot eby el. energie stále zimním m síc m, naopak v lét
jsou spot eby nejmenší. Letní špi kové spot eby dané klimatizací, které p sobí zna né problémy
v USA nebo v jižní Evrop , u nás zatím nenastávají, proto spot eba el. energie pro chlazení není
Miloš Lain 2007
23
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
dosud v centru zájmu výrobc , ani dodavatel . Pokud však porovnáme pr b h spot eby el. energie
v posledních letech (Obr. 2.13), je v letních m sících patrný nár st spot eby el. energie (Šmolík
2006).
V R postupn
dochází k výraznému nár stu po tu instalovaných chladících a klimatiza ních
jednotek. Celkový instalovaný p íkon klimatiza ních jednotek a zdroj chladu pro klimatizaci za
období 2001 až 2005 je p ibližn 300 MW, jak bylo zjišt no na základ zpracování údaj
od šesti
hlavních dodavatel el. energie (Šmolík 2006). Ukazuje se, že by v eské republice m l být na m ení
a monitorování spot eby energie pro chlazení kladen v tší d raz, nebo práv tato spot eba el. energie
již nemá zanedbatelný podíl na celkové spot eb budov.
eba el. en. v2003
R za období
2001 - 2005
2001 Spot 2002
2004
2005
2006
6 500
Spot eba el. en. [GW]
6 000
5 500
5 000
4 500
4 275.5
4039.2
4 000
3 500
3667.3
3 000
1
2
3
4
5
6
M síc
7
8
9
10
11
12
Obr. 2.13: Pr b h spot eby el. energie pro celou R (Šmolík 2006)
Miloš Lain 2007
24
Nízkoenergetické chlazení budov -
3
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Okrajové podmínky
V této kapitole jsou shrnuty další okrajové podmínky pro ešení nízkoenergetického chlazení.
Následující ást textu je v nována hlubší analýze t í okrajových podmínek, které budou
blíže
prezentovány v jednotlivých podkapitolách a které mají zcela zásadní význam pro navrhování systém
nízkoenergetického chlazení. Každá podkapitola sice vychází z rešerší a nabízí souhrnný pohled na
sou asný stav ešené problematiky, ale zárove jsou v rámci této práce teoretické poznatky dopln ny
originálními analýzami a syntézami, které aplikují obecné teorie a zahrani ní zkušenosti
na
nízkoenergetické chlazení v eské republice.
3.1 Klima
Všechny metody nízkoenergetického chlazení budov jsou siln závislé na klimatických podmínkách.
Pot eba chlazení je z velké ásti dána tepelnými zisky z venkovního prost edí, a to jak radiací,
konvekcí, tak v tráním. Na druhé stran je venkovní vzduch základním prost edkem pro odvod
tepelné zát že všech vzduchových systém . Systémy s akumulací tepla využívají kolísání teplot
vzduchu. Systémy adiabatického chlazení pracují i s vlhkostí vzduchu. Zatímco pro návrh b žných
klimatiza ních za ízení v tšinou sta í extrémní klimatické podmínky, pro nízkoenergetické chlazení
jsou t eba podrobn jších data.
P i p edb žných analýzách se využívá extrémních teplot a vlhkostí pro za azení do klimatických
skupin. Pro systémy, které nejsou p íliš závislé na akumulaci tepla, lze využívat extrém s udáním
etnosti výskytu. V klimatických databázích bývají b žn dostupná tato data pro jednotlivé veli iny
(teplota, vlhkost atd.). Nízkoenergetické systémy však vyžadují v tšinou kombinaci t chto veli in. Pro
každý zp sob nízkoenergetického chlazení je t eba posuzovat klimatická data rozdíln a vyhledávat
takové kombinace veli in, které lze aplikovat.
Pro detailní analýzy se potom používají podrobná referen ní data (nej ast ji hodinová), tzv. referen ní
rok (Test Refernce Year, TRY), pop ípad data extrémních období i data dlouhodobá.
V následující podkapitole budou prezentována základní klimatická data pro Prahu. Tato kapitola
rovn ž seznámí s výsledky porovnání klimatických dat pro Prahu a klimatických dat jiných m st. Tato
srovnání jsou využívána ve studiích zabývajících se nízkoenergetickým chlazením a sou asn slouží
pro ov ení aplikovatelnosti t chto prací na naše podmínky.
3.1.1
Globální oteplování
I když stále existují odp rci teorie globálního oteplování, lze íci, že je již riziko globálního oteplení
naší planety všeobecn známé a respektované. Globální oteplení hrozí p edevším díky rostoucímu
podílu oxidu uhli itého (CO2) v atmosfé e zem . Efekt skleníkových plyn v atmosfé e je pro život na
zemi velmi d ležitý. Bez skleníkového ú inku atmosférických plyn by pro atmosféru pouze z kyslíku
a dusíku byla pr m rná teplota zemského povrchu p ibližn -6 °C (Houghton 1998). Od za átku
Miloš Lain 2007
25
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
a)
b)
Obr. 3.1: a) Koncentrace oxidu uhli itého v atmosfé e a) podle vrtných jader v ledovcích do 1957
a p ímá m ení z observato e Mauna Loa na Havaji. b) P edpov koncentrace CO2 podle r zných
scéná emisí (Houghton 1998)
pr myslové revoluce však nar stá množství oxidu uhli itého v atmosfé e (dosud asi o 25 %) a
p edpov di ukazují, že v p ípad nep ítomnosti regula ních faktor bude rychlost zvyšování obsahu
atmosférického oxidu uhli itého stoupat a jeho koncentrace se v následujících sto letech oproti
preindustriální dob zdvojnásobí (Obr. 3.1).
P edpov di zvyšování teploty zemského povrchu vycházejí z n kolika scéná
oxidu uhli itého a zahrnují adu dalších faktor
nár stu koncentrací
a zp tných vazeb (v tší odpa ování z oceán , radia ní
p sobení obla nosti, cirkulace v oceánech, albedo ledu, rychlejší r st rostlin), které nár st teploty
Zem ovlivní. P edpokládaný vývoj globální pr m rné teploty p i zvyšování produkce CO2 (p ibližn
stejnou rychlostí jako doposud) je znázorn n na obrázku 3.2. Globální oteplování a zm ny klimatu
mohou mít dalekosáhlé d sledky pro život na celé naší planet .
V rámci této práce se však zam íme na d sledky související s pasivním a nízkoenergetickým
chlazením budov. Tyto d sledky lze rozd lit do dvou kategorií, na p ímé d sledky zvyšování teploty a
zm n klimatu a na nep ímé d sledky zp sobené snahou o snižování emisí skleníkových plyn a
ochranu životního prost edí.
D sledky globálního oteplování:
- Rostoucí teploty vzduchu v lét . V budovách, u nichž v letních m sících nebylo nutné chlazení a z
tohoto pohledu fungovaly jako budovy s pasivním chlazením, je t eba dodate n
instalovat
klimatiza ní (v tšinou pouze chladicí) systémy.
Miloš Lain 2007
26
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
- Dochází k v tšímu kolísání teplot. Extrémní léta, jako nap . léto v roce 2003, mají výrazný
psychologický ú inek, lidé i firmy rad ji investují do klimatizace.
- V souvislosti s rostoucím po tem klimatizovaných prostor, ve kterých se lov k b hem dne
pohybuje, se snižuje jeho schopnost adaptace na letní podmínky a vyžaduje klimatizaci i na
doposud neklimatizovaných místech (pracovišt , restaurace, byt apod.).
- Aktivity vedoucí k zmírn ní produkce CO2 znovu obrací pozornost na zvyšující se spot ebu energie,
k jejímuž nár stu p ispívá práv spot eba strojním chlazením budov. Proto se hledají cesty, jak
zajistit tepelnou pohodu v letním období bez výrazného nár stu spot eby energie tj.
nízkoenergetické chlazení.
- Montrealský a Kyotský protokol omezují používání n kterých látek škodlivých pro životní
prost edí, mezi n ž pat í i ada chladiv používaných v klimatiza ních za ízeních (p edevším R12,
R22). Takže, krom používání mén škodlivých chladiv, existuje i snaha chladit budovy bez použití
chladiv, tj. jiným než kompresorovým chlazením.
- V souvislosti s globálním oteplováním a spot ebou energie se mluví o trvale udržitelném rozvoji.
Jedním z posuzovaných parametr je i energie vynaložená p i výrob daného za ízení. Strojní
chlazení využívá výrobn náro né sou ástky, pro jejichž výrobu se spot ebovává velké množství
energie. I z t chto d vod je t eba hledat jiné a jednodušší, p irozené zp soby chlazení.
Obr. 3.2: Zm ny globální pr m rné teploty podle scéná e dále
jako doposud (IPCC) (Houghton 1998)
Miloš Lain 2007
27
Nízkoenergetické chlazení budov -
3.1.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Klimatické podmínky v eské republice - aplikace pro analýzy
Základem analýz jsou dostupná hodinová klimatická data pro Prahu z let 1984 až 1997, dále data roku
2003 a referen ní rok pro Prahu. Základní klimatická data jsou teplota vzduchu, relativní vlhkost
vzduchu, rychlost a sm r v tru a úhrnu celkové slune ní radiace, a to za každou hodinu.
Pro základní zpracování rozsáhlých soubor klimatických dat jsem sestavil aplikaci v tabulkovém
procesoru Excel. Výstupem aplikace jsou etnosti výskytu vybrané veli iny v souboru klimatických
dat za zadaných okrajových podmínek a vzájemné závislosti.
V první ásti aplikace jsou dopo ítány ze základních hodnot vlhkého vzduchu (teplota, relativní
vlhkost) další veli iny, jako je parciální tlak par, parciální tlak par na mezi sytosti, m rná vlhkost,
entalpie.
K výpo tu byly použity vztahy (3.1, 3.2, 3.3) pro ešení vlhkosti vlhkého vzduchu
odvozených na základ Daltonova zákona a stavových rovnic ideálního plynu pro vodní páru a suchý
vzduch.
x = 0,622 ⋅
pd
pd "
p d = ϕ ⋅ p d " ......................................................................................... (3.2)
h = c a t + (l 0 + c d t ) ⋅ x
1985-1997+2003
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
......................................................................................... (3.1)
......................................................................................... (3.3)
Praha - 2003
TRY Praha
1985-1997+2003
100%
100%
90%
90%
80%
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
ϕ=
pd
p − pd
70%
60%
50%
40%
30%
20%
-15
0%
-10 -5
0
5
10
Teplota vzduchu [°C]
TRY Praha
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
-20
Praha - 2003
10%
15
20
25
celý rok
30
35
-20
0%
-10
0
10
20
30
Ethalpie vzduchu [kJ/kgK]
40
50
60
70
celý rok
Obr. 3.3: Porovnání kumulativní etnosti teplot vzduchu a entalpie pro všechny uvažované roky, pro
referen ní rok TRY a pro rok 2003
Miloš Lain 2007
28
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Z t chto dopln ných dat je možné v aplikaci provést výb r podle požadovaných kritérií. Lze nastavit
veli inu, která bude zobrazena, rozsah m síc roku, dn týdne a hodin dne, dále je možné výb r
omezit rozsahem dalších dvou veli in. Nap íklad je možné vyhodnotit etnost teplot vzduchu pro letní
období (m síce 5 až 9), pracovní dny (dny týdne 1 až 5) a pracovní hodiny ( 7 až 19). Tento výb r lze
dále omezit rozsahem dvou veli in (nap íklad na hodiny, kdy je relativní vlhkost od 10 do 50 % a
zárove celková entalpie od 20 do 40 kJ/kg).
Vzhledem k množství dat jsou p edevším analýzy celého souboru (14 let tj. cca 12 000 hodin) velmi
náro né na výpo etní techniku. Na obrázcích 3.3 a 3.4 jsou ukázky výstup aplikace použité pro
veškerá klimatická data, tj. roky 1984 až 1997 a rok 2003. Tyto výsledky jsou pro vybrané výb ry
porovnány s kumulativní etností výskytu teplot v referen ním klimatickém roce pro Prahu (TRY) a v
roce 2003, který je považován za extrémní. Z porovnání je patrné, že pro v tšinu výb r platí dobrá
shoda mezi referen ním rokem a celým obdobím, tudíž lze používat jako reprezentativní i analýzy
provedené pro referen ní rok. Rok 2003 je výrazn teplejší. Rozdíl je patrný p edevším v letním
období, proto je rok 2003 používán pro posouzení chování budov a systém nízkoenergetického
chlazení v letních extrémech.
1985-1997+2003
Praha - 2003
1985-1997+2003
TRY Praha
90%
90%
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
100%
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
100%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
Praha - 2003
TRY Praha
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
10%
0%
0%
0
2
4
6
8
10
M rná vlhkost [g/kg]
12
14
16
18
20
M síc od 5 do 9 v etn . Den týdneod 1 do
7 v etn . Hodina od 7 do 21 v etn .
0
5
10
15
20
Teplota vzduchu [°C]
25
30
35
40
M síc od 5 do 9 v etn . Den týdneod 1 do
7 v etn . Hodina od 7 do 21 v etn .
Obr. 3.4: Porovnání kumulativní etnosti m rných vlhkostí a teplot vzduchu pro všechny uvažované
roky, pro referen ní rok a pro rok 2003, pro denní hodiny (7-21) letního období (5.-9. m síc)
.
Miloš Lain 2007
29
Nízkoenergetické chlazení budov -
3.1.3
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Porovnání klimatických dat
ada studií se ve sv t zabývá nízkoenergetickým chlazením. Vzhledem k tomu, že klimatická data
jsou jedním ze základních parametr , je t eba p ed aplikací výsledk t chto studií provést porovnání
klimatických dat. Na obrázku 3.5 jsou porovnána klimatická data z rozsáhlé studie nízkoenergetického
chlazení (Behne 1997) a pražského referen ního roku. Jako základní jsou voleny teploty vzduchu a
m rné vlhkosti. Teploty vzduchu v Praze jsou v letním období velmi podobné berlínským teplotám,
m rné vlhkosti jsou po v tšinu roku nižší.
Kumulativní etnost výskytu nižšíh hodnot [%]
Kiel
Locarno
Red Bluff
San Francisco
Berlin
Praha (TRY)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
Teplota vzduchu [°C]
Kiel
Locarno
Red Bluff
San Francisco
Berlin
Praha (TRY)
100
Kumulativní etnost výskytu
nižších hodnot [%]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
M rná vlhkost [g/kg]
11
12
13
14
15
Obr. 3.5: Porovnání kumulativní etnosti teplot vzduchu a m rných vlhkostí pro lokality uvažované
ve studii (Behne 1997) a referen ní rok Praha TRY
Miloš Lain 2007
30
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
3.2 Tepelná pohoda p i nízkoenergetickém i pasivním chlazení
Tepelná pohoda osob pracujících v budovách je základním požadvkem návrhu budovy a systém
v trání, vytáp ní a klimatizace. Vzhledem k individuálnímu vnímání tepelné pohody je však její
objektivní posouzení pom rn obtížné. Návrh b žných klimatiza ních systém se opírá o posuzování
tepelné pohody vycházející z innosti lov ka. N které práce však poukazují na schopnost lov ka
adaptovat se podle venkovních podmínek. Z tohoto principu vychází adaptivní model tepelné pohody,
který je vhodný p edevším pro pasivní a nízkoenergetické stavby.
3.2.1
Standardní hodnocení tepelné pohody
Standardní ešení tepelné pohody osob (Fanger 1970) vychází z rovnice tepelné rovnováhy, kde je na
jedné stran tepelná produkce lov ka a na druhé teplo odvád né konvekcí, sáláním, odpa ováním a
dýcháním. Z nerovnováhy levé a pravé strany rovnice je pak odvozen výsledný st ední tepelný pocit
(PMV), který je ve stupnici -3 pro zimu, p es 0 neutrální, tepelnou pohodu, až po +3 pro horko ( SN
EN ISO 7730).
Toto hodnocení má nespornou výhodu v jednoduchosti a snadné interpretaci výsledného tepelného
pocitu jedním íslem. Nevýhodou je, že pro jeho stanovení je t eba pom rn složitého vypo tu a
p edevším pot eba vstupních hodnot, které p i b žném projektování nejsou k dispozici (p edevším
st ední radia ní teplota). Další nevýhodou je, že tento model tém
nerespektuje venkovní klimatické
podmínky.
Práce publikovaná profesorem Fangerem v roce 2002 doporu uje rozší ení standardního modelu
tepelné pohody založeném na PMV o dopln k respektující rozdílné požadavky osob v závislosti na
klimatu a zvyklostech regionu. Pro neklimatizované budovy v teplém klimatu doporu uje použití
korek ního faktoru e, který m že dosahovat hodnot mezi 1 a 0,5 pro budovy klimatizované. Hodnota
korek ního faktoru závisí na tom, zda je v lokalit v tšina budov klimatizována (0,8 až 0,9), nebo
v tšina budov klimatizována není (0,7-0,8). Tímto faktorem se potom násobí st ední tepelný pocit
PMV. V podmínkách eské republiky lze doporu it použití faktoru 0,8-0,9.
Tab. 3.1: Korek ní faktory pro PMV dle o ekávání osob (Fanger 2002)
Charakteristika neklimatizované budovy
O ekávání
tep. pohody
Umíst ní v oblasti kde je
Teplé období
Korek ní
faktor, e
vysoké
nastává ob as b hem léta
0,9-1
je v tšinu léta
0,7-0,9
je celoro n
0,5-0,7
st ední
nízké
v tšina budov klimatizována
ást budov klimatizována
naprostá v tšina budov neklimatizována
Miloš Lain 2007
31
PMV
Nízkoenergetické chlazení budov -
0.4 clo, e=1
0.7 clo, e=0.8
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
-1.25
-1.5
-1.75
-2
20
21
22
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
0.7 clo, e=1
Tepelná pohoda III
23
24
25
26
0.4 clo, e=0.8
Tepelná pohoda II
27
28
29
30
teplota
[°C]podle tradi ního modelu tepelné
Obr. 3.6: Závislost ukazatele PMVOperativní
na operativní
teplot
pohody, pro r zné hodnoty oble ení a korek ní faktory
Na obrázku 3.6 je znázorn n pr b h ukazatele tepelné pohody v závislosti na operativní teplot pro
standardní kancelá skou práci (1,2 met) a b žné rychlosti proud ní 0,1 m/s. Z obrázku lze ode íst, že
dle standardního modelu p i zachování standardního oble ení (0,7 clo - spodní prádlo, kalhoty, košile
nebo spodni ka, šaty) p edstavuje maximální teplota pro tepelnou pohodu odpovídající kategorii
budov II (viz následující kapitola) 25,2°C, pro kategorii III je to pak 26°C. Použijeme-li korek ní
faktor dle tabulky 2.1 (podmínkám
eské republiky odpovídá e=0,8), je max. operativní teplota
25,6°C pro kategorii II a 26.8 °C pro kategorii III. V p ípad , že norma oble ení v prostoru umožní
adaptaci a oble ení bude v letních extrémech odpovídat 0,4 clo (šortky, sandály, tri ko nebo košile
s krátkým rukávem), jsou max. teploty výrazn vyšší, a to 26,7 °C pro kategorii II bez korekce a 27,1
°C s korekcí (e=0,8) a pro kategorii III 27,5 °C bez korekce a 28,1 °C s korekcí.
3.2.2
Kategorie vnit ního prost edí podle tepelné pohody
Jak již bylo zmín no, má tepelná pohoda osob v daném prost edí áste n individuální charakter. I p i
naprosto optimálních parametrech (PMV=0) je vždy ur ité procento osob nespokojeno. Tato
nespokojenost m že pramenit nap íklad z toho, že jejich individuální termoregulace preferuje jinou
teplotu, nebo proto, že nespokojenost s vnit ním prost edím je podmín na spíše psychologicky.
Nap íklad pocit tepelné nepohody je ur itou kompenzací i projevem nespokojenosti v jiné oblasti
(nap . nespokojenost s pracovním za azením, nespokojenost v prac. kolektivu apod.). Prakticky nelze
zajistit pocit tepelné pohody 100 % vnímané všemi osobami v daném prost edí. Z této skute nosti
vyplývá nutnost stanovit p ípustnou hranici nespokojených v daném prost edí tak, aby bylo možné na
obecné úrovni hovo it o dosažení pocitu tepelné pohody. Nové p edpisy vznikající v Evropské unii
Miloš Lain 2007
32
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
(EN 15251), které jsou platné i pro R (CSN EN ISO 7730), stanovují kategorie tepelného prost edí,
pro které pak ur ují i požadavky na kvalitu vnit ního prost edí a rozsahy ukazatel PMV a PPD a
z nich odvozený rozsah operativních teplot.
Norma p edpokládá rozd lení budov do
ty
kvalitativních kategorií, kterým pak odpovídá
doporu ený rozsah vnit ních teplot viz tab. 3.2.
Tab. 3.2: Kategorie budov a odpovídající rozsahy teplot
Kategorie Kategorie
Popis
EN
SN EN
15251
ISO 7730
I
A
II
B
III
C
Velmi vysoké požadavky
vhodné pro osoby velmi citlivé
P ípustný
rozsah
PMV
P ípustný
rozsah teplot
(EN 15251)
-0,2
až +0,2
±2K
< 10 %
±3K
< 20 %
±4K
< 30 %
B žné požadavky
vhodné jak pro nové budovy, -0,5
tak pro rekonstrukce
až +0,5
Mírné požadavky
vhodné p edevším pro stávající
-0,7
budovy
až +0,7
Nevyhovující podmínkám pouze budovy s omezeným
<-0.7
užíváním
> 0.7
IV
Norma EN 15251 dále doporu uje dv
Pr van
DR
metody hodnocení tepelné pohody. První doporu enou
metodou je procentuelní vyhodnocení pracovních hodin b hem období, kdy jsou teploty mimo
požadovaný rozsah. Druhá metoda je založena na výpo tu dn
i hodin, kdy operativní teplota
p ekro í požadovaný rozsah, tj. po et hodin je vážen po tem stup
, o kolik byly teploty mimo
požadovaný rozsah. Ob tyto metody však lze použít jedin prost ednictvím po íta ové simulace nebo
m ením ve skute ných budovách.
P ijatelnost vnit ních podmínek je pak dána požadavkem, aby na minimáln
95% využitelné
podlahové plochy nebyly operativní teploty mimo požadovaný rozsah více než 3 % (nebo 5% dle
rozhodnutí každé lenské zem EU) z pracovní doby za den, týden, m síc nebo rok.
3.2.3
Adaptivní model tepelné pohody
Je prokázáno (Nicol 1973), že lidské t lo se adaptuje podle venkovních klimatických podmínek.
Adaptace probíhá jak zm nami osobními, což je p edevším zm na oble ení, ale také zm nou postoje
(Raja 1997) nebo zm nou chování. lov k také upravuje podmínky prost edí. P íkladem je otevírání
oken, stín ní, zm nou pozice, zm na od vu, p ípadn individuálním nastavením topných, chladicích i
jiných prvk .
Rozsáhlé analýzy m ení a test (Humphreys 1981, Dear 2002, ) ukazují, že lidé se mnohem lépe
adaptují na venkovní podmínky v budovách bez klimatizace, než v budovách klimatizovaných.
Tepelná pohoda by nem la být zbožím, které je dodáváno uživatel m budovy, ale m la by být cílem,
který uživatelé dosáhnou díky své schopnosti ovliv ovat podmínky. Vnit ní prost edí sm uje k cíli
Miloš Lain 2007
33
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
tepelné pohody. Sou asn však existují ur itá omezení, v rámci kterých je schopna se skupina osob
adaptovat podle svých tepelných zkušeností a svých klimatických, sociálních, ekonomických a
kulturních podmínek (Nicol 1996). Takovýto adaptivní model vyžaduje jiné nástroje pro dosažení
tepelné pohody, než je tomu v p ípad modelu založeného na p edpokladu ideální operativní teploty
v prostoru. Budova musí lidem umožnit nastavení a zm ny prost ednictvím nichž lze dosáhnout
vyššího stupn tepelné pohody. Mezi základní požadavky pat í:
- Možnost individuálního nastavení (pro léto nap íklad cirkula ní ventilátory, otevíratelná okna).
- P edpoklad dodržení základních parametr prost edí odpovídající aktivit a klimatu. Tyto parametry
se m ní jak b hem delších období, tak i b hem dne.
p izp sobit své oble ení teplotním
podmínkám.
Požadavek
ady
spole ností na standardní oble ení je
v p ímém
protikladu
s principem
adaptivní tepelné pohody. V mnoha
p ípadech je však velmi obtížné
zasahovat do t chto konzervativních
požadavk .
V podmínkách
eské
republiky se v této souvislosti situace
spíše zhoršuje. V ad firem je t žký
Teplota vzduchu odpovídající tepelné pohod
Uživatelé by m li mít možnost
St ední venkovní teplota vzduchu (°C)
považován za celoro ní standard.
Zajímavý a p ínosný je naopak
nap íklad p ístup japonské vlády,
která ve snaze o snížení spot eby
energie
pro
klimatizaci
vyzvala
v roce 2005 k uvoln ní oble ení pro
letní podmínky.
Pro
správné
vyhodnocení
adaptivního komfortu by se m la
používat klouzavá st ední teplota
venkovního vzduchu trm (running
mean temperature) vyhodnocená dle
Teplota vzduchu odpovídající tepelné pohod
tmavý oblek s košilí a kravatou
tepelná pohoda dle výzkumu
proložená závislost
vypo tená dle PMV modelu
St ední venkovní teplota vzduchu (°C)
Obr. 3.7: Teploty odpovídající tepelné pohod (McCartney
2002) naho e a porovnání se standardním PMV
modelem (Dear 2002) dole
vztahu:
(
)
t rm = (1 − α ) ⋅ t od −1 + α ⋅ t od − 2 + α 2 ⋅ t od −3 + ......... = (1 − α ) ⋅
Miloš Lain 2007
n =∞
n =1
(α
n −1
)
⋅ t od − n ...................(3.4)
34
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
kde tod-1 je teplota jeden den p ed vyhodnocovaným dnem, tod-n teplota dne n dní p ed
vyhodnocovaným a α je koeficient mezi 0 a 1, který definuje rychlost, s jakou se klouzavá st ední
teplota blíží teplot venkovní.
Provedeme-li analýzu vztahu 3.4 zjistíme, že po et dní, které je pro výpo et t eba vzít do úvahy, závisí
na sou initeli α viz tabulka 3.3. Pro Evropské klima se doporu uje použít hodnotu sou initele α = 0,8
(McCartney 2002) a výpo et dle vztahu 3.4 by m l zahrnovat teploty z ty iceti sedmi p edcházejících
dní .
Tab. 3.3: Po et dní p i uvažování st ední teploty 20 °C a požadované p esnosti pr b žné st ední
teploty vyšší než 0,01 °C
Po et dní
0.1
0.2
0.3
Sou initel α
0.4
0.5
0.6
5
8
10
12
16
21
0.7
0.8
0.9
29
47
100
Používání rovnice 3.4 je pom rn málo praktické proto se rovnice upravuje na tvar:
t
n rm
= (1 − α ) ⋅ t od −1 + α ⋅ n −1 t rm ............................................................................................(3.5)
kde ntrm je klouzavá st ední teplota venkovního vzduchu pro den n a
n-1trm
je klouzavá st ední teplota
venkovního vzduchu pro den p edešlý.
Z vyhodnocených dat byla potom ur ena v závislosti na klouzavé st ední teplot venkovního vzduchu
optimální vnit ní teplota (tcom) odpovídající tepelné pohod p i aplikování adaptivního komfortu.
Pro budovy bez klimatizace
a pro budovy s klimatizací
tcom=0,33 · trm +18,8..............................................................(3.6)
tcom=0,09 · trm +22,6...................................................................(3.7)
Teploty odpovídající teplné pohod
Uvažovaná oblast tepelné pohody je potom dána odchylkou ±2 K od optimální teploty (Obr. 3.8).
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
bez klimatizace
0
5
10
klimatizováno
15
20
25
Klouzavá st ední teplota venkovního vzduchu [°C]
Obr. 3.8: Optimální teploty vnit ního vzduchu a oblast tepelné pohody pro budovy bez klimatizace
a klimatizované budovy
Miloš Lain 2007
35
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
.........................................................................................................................................................
st ední teplota za 24 h
Max. teplota pro neklimatizované budovy
klouzavá st ední teplota
Max. teplota pro klimatizované budovy
30
28
26
Teplota vzduchu [°C]
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
kv ten
erven
ervenec
srpen
zá í
Obr. 3.9: Pr b h st edních teplot venkovního vzduchu, klouzavého pr m ru a z n ho vypo tených
max. teplot vnit ního vzduchu odpovídajících tepelné pohod pro rok TRY
32
st ední teplota za 24 h
klouzavá st ední teplota
Max. teplota pro neklimatizované budovy
Max. teplota pro klimatizované budovy
30
28
26
Teplota vzduchu [°C]
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
kv ten
erven
ervenec
srpen
zá í
Obr. 3.10: Pr b h st edních teplot venkovního vzduchu, klouzavého pr m ru a z n ho vypo tených
max. teplot vnit ního vzduchu odpovídajících tepelné pohod pro rok 2003
Miloš Lain 2007
36
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Z graf na obrázku 3.9 a 3.10 lze ode íst horní hranici tepelné pohody založené pro adaptivní model.
Graf na obr. 3.9 vychází z hodinových teplot vzduchu referen ního roku pro Prahu (TRY), ze kterých
jsou vypo teny pr m rné teploty vzduchu za 24 hodin a z nich dle vztahu 3.4 pak klouzavé st ední
teploty venkovního vzduchu. Horní hranice tepelné pohody pro neklimatizované budovy vychází
z rovnice 3.6, dle které je vypo tena optimální teplota. Ta je zvýšena o p ípustnou toleranci 2 K
(tab. 3.2). Obdobn pro klimatizované budovy výpo et vychází z rovnice 3.7 se stejným posunem 2 K.
Pro klimatizované prostory je maximální komfortní teplota
b hem léta 26±0,5 °C, pro
neklimatizovanou kancelá se m ní výrazn ji, a to v rozsahu 24°C až 27,8 °C.
Vyjdeme-li p i analýze z klimatických dat extrémního léta 2003 (obr. 3.10), je pro klimatizovanou
kancelá max. komfortní teplota 26,5°C a pro neklimatizovanou se pohybuje v rozsahu 25,3 °C až
29 °C.
Adaptivní model tepelné pohody je jednozna n nesmírn d ležitý pro vyhodnocování parametr
prost edí, p edevším pak v budovách bez strojního chlazení. Porovnáme-li požadované výsledky dle
adaptivního modelu (Obr. 3.8) a výsledky korigovaného standardního modelu se zahrnutím lehkého
oble ení (Obr. 3.6), jsou požadované teploty sob velmi blízké a pro letní extrémy lze za maximální
operativní teplotu v prostoru, která odpovídá tepelné pohod , považovat 28 °C.
3.2.4
Vliv vlhkosti
Vlhkost vzduchu je jedním ze základních parametr tepelné pohody. V rovnici tepelné rovnováhy
(Fanger 1970) je prezentována v teple odvedeném z t la vypa ováním a dýcháním. ím je vlhkost
vzduchu vyšší, tím je nižší i odvod tepla z t la. Z tohoto d vodu mohou v letních m sících vysoké
vlhkosti vzduchu vést k tepelnému diskomfortu.
Nízkoenergetické systémy chlazení v tšinou pracují v letních m sících s menším odvlh ením
v tracího vzduchu (díky omezenému strojnímu chlazení). N které chladící systémy dokonce vzduch
zvlh ují. Proto je problematice vlhkosti vzduchu v této práci v nována samostatná kapitola.
Nejvýznamn jší vliv na vlhkost vzduchu má bezesporu p ímé adiabatické chlazení, p i kterém je
p ivád ný vzduch zvlh ován a k chlazení dochází práv p em nou vázaného tepla na teplo citelné.
U nep ímého adiabatického chlazení a adiabatického chlazení se sorp ním vým níkem by nem lo ke
zvyšování vlhkosti p ivád ného vzduchu dojít, ale nedochází ani k odvlh ování vzduchu. Vzhledem
k tomu, že je teplota p ivád ného vzduchu nižší než teplota venkovní, dochází k r stu relativní
vlhkosti.
U systém využívajících nízkopotenciálního chladu, p ípadn chladu ze zem je jedním z d vod
snížení spot eby energie práv omezení nebo naprosté zamezení kondenzace na chladi i a úspory
vázaného tepla. P ivád ný vzduch se tudíž chladí, ale neodvlh uje a podobn jako v p edchozím
p ípad
roste jeho relativní vlhkost. P i no ním chlazení op t nedochází k odvlh ení v tracího
vzduchu takže efekt je podobný.
Miloš Lain 2007
37
PMV
Nízkoenergetické chlazení budov -
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
-1.25
-1.5
-1.75
-2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Operativní teplota 24°C
Operativní teplota 25°C
Tepelná pohoda II
Tepelná pohoda III
30
40
50
60
70
Operativní teplota 26°C
80
90
Relativní vlhkost [%]
Obr. 3.11: Závislost ukazatele PMV na relativní vlhkosti vzduchu pro r zné operativní teploty vzduchu
s nazna ením oblasti tepelné pohody.
Z obrázku 3.11 je patrný vliv relativní vlhkosti vzduchu na tepelnou pohodu. Hodnoty st edního
tepelného pocitu jsou vypo teny pro oble ení 0,7 clo a typickou kancelá skou aktivitu 1,2 met. Je
uvažována rychlost proud ní 0,1 m/s a st ední radia ní teplota stejná jako teplota vzduchu. Stejn jako
u grafu na obrázku 2.9 je nazna ena oblast tepelné pohody odpovídající kategorii budov II s PMV od
-0,5 do +0,5 a kategorii III, kde je PMV -0,7 až +0,7. Z obrázku je z ejmé, že vliv relativní vlhkosti
vzduchu je sice nižší než vliv teploty, ale rozhodn není zanedbatelný. Pro operativní teplotu 25 °C je
p i relativní vlhkosti pod 60 % dosaženo tepelné pohody kategorie II, p i vlhkosti mezi 60 % a 90 %
kategorie III a vlhkost nad 90 % už je mimo oblast plné tepelné pohody. Z toho tedy vyplývá, že
vlhkost vzduchu nelze p i ešení tepelné pohody u systém nízkoenergetického chlazení zanedbávat.
Pro adiabatické chlazení lze provést jednoduchou analýzu vycházející z teorie tepelné pohody a
úpravy vzduchu p i adiabatickém vlh ení. Z grafu na obrázku 3.11 lze ode íst, že rozdílu operativní
teploty 1K odpovídá rozdíl relativní vlhkosti cca 40 %. h-x diagram pak dokumentuje, že p i
adiabatickém chlazení v letním období odpovídá nár stu relativní vlhkosti o 10 % pokles teploty o 1,5
až 2 K. Z toho vyplývá, že adiabatické chlazení p ispívá k r stu tepelné pohody.
Miloš Lain 2007
38
Nízkoenergetické chlazení budov -
3.2.5
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Vliv st ední radia ní teploty
St ední radia ní teplota je rozhodující pro sdílení tepla sáláním. Základní model tepelné pohody je
založen na samostatném zadání teploty vzduchu a st ední radia ní teploty. Ob tyto teploty jsou pak
zahrnuty do operativní teploty, nebo výsledné teploty.
P i nízkoenergetickém a pasivním chlazení budov m že docházet k nár stu rozdílu mezi st ední
radia ní teplotou a teplotou vzduchu. Rozdíl je výrazný p edevším u sálavých systém chlazení, jako
je stropní chlazení, chlazení stavebních desek. K podobnému efektu dochází i u staveb, kde se využívá
akumulace tepla do stavebních konstrukcí, nap íklad p i p edchlazení budovy no ním v tráním.
PMV
Teplota vzduchu 24°C, 0.7clo
Teplota vzduchu 24°C, 0.4 clo
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
-1.25
-1.5
-1.75
-2
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
St ední radia ní teplota [°C]
Obr. 3.12:. Závislost ukazatele PMV na st ední radia ní teplot p i teplot vzduchu 24°C a r zném
oble ení.
Graf na obrázku 3.12 ilustruje, že st ední radia ní teplota má zna ný vliv na tepelnou pohodu. Totiž i
p i teplot vzduchu 24 °C se m že lehce oble ený lov k (0,4 clo) dostat mimo hranice tepelné
pohody, a to p i nízké st ední radia ní teplot do oblasti chladna a p i vysoké do oblasti tepla.
3.3 Tepelné zisky
Tepelné zisky jsou jedním z rozhodujících parametr pro posouzení možností nízkoenergetického
chlazení. Tepelné zisky d líme na vn jší a vnit ní. V této podkapitole je kladen d raz p edevším na
tepelné zisky vnit ní.
Miloš Lain 2007
39
Nízkoenergetické chlazení budov -
3.3.1
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Vnit ní zisky
Na vnit ní tepelné zát ži administrativních prostor se podílí lidé, osv tlení a po íta e a ostatní
kancelá ská technika. U ostatních budov mohou významnou roli hrát zisky od technologie.
P i návrhu b žných klimatiza ních za ízení je hlavní d raz kladen na extrémní, maximální zisky. P i
tomto p ístupu je asto volen jednodušší výpo et s minimální analýzou vnit ních zisk , který vede k
p edimenzování klimatiza ního za ízení. Kritická m že být situace v p ípad výrobních objekt s
instalovanými vysokými výkony technologie, kdy je t eba i pro b žné dimenzování d sledn
ešit
skute né vytížení zdroj tepla (Zmrhal 2008).
P i detailním ešení energetických bilancí budov a posuzování nízkoenergetického chlazení je t eba
klást mnohem v tší d raz na zjišt ní skute ných teplených výkon za ízení ve vnit ním prost edí.
Díky omezené chladicí kapacit
nízkoenergetického chlazení m že být d sledkem špatného
vyhodnocení vnit ních zisk návrh i posouzení systému realit zcela neodpovídající a špatné.
Vnit ní zisky mohou být obecn ve form citelného tepla (tepelné zisky) p edávaného ze zdroje do
okolního vzduchu konvekcí a do okolních ploch sáláním (Tab. 3.4). Dále to mohou být zisky tepla
vázaného ve form
(vodní
zisky).
vodní páry
Pi
ešení
nízkoenergetického
chlazení
v tšinou
ešit
vhodné
je
Tab. 3.4: Podíl tepelných zisk radiací a konvekcí pro
kancelá skou techniku (Duška 2004)
bilanci
citelného tepla. Produkce vázaného
tepla se projeví nep ímo na vlhkosti
vnit ního vzduchu nebo na bilanci
p i kondenzaci na vým níku
i
adiabatickém chlazení.
Tepelné zisky od osob jsou dány metabolickým teplem, které je závislé na provád né innosti.
V závislosti na teplot vzduchu a áste n i oble ení se pak m ní podíl citelného a vázaného tepla
sdíleného do okolí. Pro osobu pracující sedící
(kancelá ská práce) odpovídá metabolické teplo
70 W/m2 ( SN 7730), pro typického muže s povrchem t la cca 1,9 m2 je potom metabolické teplo 133
W. P i teplot okolí 26 °C se ve form citelného tepla p edá 62 W ( SN 730548) a zbytek se odvede
ve form vázaného tepla. Pro dynamický výpo et je t eba hledat denní profil po tu osob, p ípadn lze
zisky korigovat na po et žen i d tí (typicky menší plocha k že tudíž menší tepelné zisky). Tepelné
zisky od osob nelze technologicky výrazn snížit i odstranit (jedinou cestou je zvýšení tepelného
odporu od vu, ale to je v naprostém rozporu s p irozenou termoregulací a požadavky na tepelnou
pohodu). Ur itou výhodu je autoregulace, kdy p i rostoucí operativní teplot v místnosti klesají
citelné tepelné zisky od osoby. P i teplot
blížící se teplot
k že jsou citelné zisky nulové a
metabolické teplo je odvád no teplem vázaným.
Miloš Lain 2007
40
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab.3.5: Požadované intenzity osv tlení podle
SN EN 12464
Kancelá e
Kopírování, kompletace atd.
Psaní, tení, zpracování dat
Technické kreslení
Pracovní stanice CAD
Konferen ní a shromaž ovací
místnosti
Recep ní st l
Archiv
300 lx
500 lx
750 lx
500 lx
500 lx
Tepelné zisky od osv tlení vycházejí z požadavku
na intenzitu osv tlení, plochy, kterou je t eba
osv tlit um le, a následn
p íkonu
a typu
instalovaných svítidel. Detailní informace o
jednotlivých sv telných zdrojích,
svítidlech a
postupu výpo tu lze nalézt v (Lain 2004).
Požadavky na osv tlení se udávají požadovanou
pr m rnou intenzitou osv tlení, jejíž jednotkou je
300 lx
200 lx
1 lux, definovaný jako sv telný tok 1 lm
2
dopadající na plochu 1m . Na ízení vlády 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví
zam stnanc
p i práci, se v otázce osv tlení
odkazuje na požadavky technických norem. Tab. 3.6: M rné sv telné výkony zdroj η
Sv telný zdroj
b žné
η
Nov platná harmonizovaná norma SN EN
[lm/W]
12464-1 Osv tlení pracovních prostor , ást 1
od do
vnit ní pracovní prostory udává v tabulkách Žárovky
podrobné požadavky na osv tlení pro Halogenové žárovky
Lineární zá ivky (bez p ed adníku)
jednotlivé druhy prácí a inností. V tab. 3.5 je
Kompaktní zá ivky
výtah z této normy pro kancelá ské prostory. (s integrovaným p ed adníkem)
Vysokotlaké výbojky
Požadavky uvedené ve VDI 2078, které
LED diody
vycházejí z DIN 5035 a údaje v SN 73 0548
6
10
42
33
Tab. 3.7: Výsledky n kolika variant zá ivkového
osv tlení kancelá e
Var
Svítidlo
M rný
El.
M rný
výkon p íkon el. p íkon
zdroje
[lm/W]
[W]
[W/m2]
1
2313303
53
1 372
22,9
2
Trubice ∅26
93
990
16,5
3
SYLREC ERP
93
900
15
4
SYLREC ERP
770
12,8
5
GIOTTO 335
1 760
29,3
67
se od požadavk daných
15
28
95
75
10
20
80
60
62 14
20 50
SN EN 12464-1
p íliš neliší. Pro b žné kancelá ské prostory
odpovídá
požadovaná intenzita
osv tlení
500 lux .
Pro porovnání tepelných výkon zdroj sv tla
lze použít m rný sv telný výkon v lumenech
na watt
elektrického p íkonu (dále jen η
(lm/W)) viz Tab. 3.6. Pom rn
nové je
používání LED (Light Emitting Diode) diod
pro osv tlení. Tento výbojový sv telný zdroj
funguje na principu polovodi ových desti ek, které p etvá ejí elektrický proud na sv tlo. LED diody
tak mohou být velice malé a p itom dosahují pom rn
vysokého sv telného výkonu. Hodnoty
prezentované v tabulce . 3.6 jsou pouze orienta ní a vycházejí z malého po tu vzork LED diod. Pro
kancelá ské prostory se nyní tém
výhradn používají zá ivková svítidla. Jiné sv telné zdroje se
objevují z ídka, a to p evážn ve speciálních p ípadech (nap . vnit ní komunikace v kancelá ích,
jednací a jiné reprezentativní místnosti apod.). Z tabulky 3.7 je patrné, že hodnoty m rné tepelné
zát že, které lze dosáhnout, se mohou pohybovat ve velmi širokém rozmezí. Míra tepelné zát že závisí
Miloš Lain 2007
41
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
na použitém zdroji sv tla a typu svítidla. Obecn platí, že moderní svítidla ur ená k dané aplikaci
mají nižší spot ebu energie (tepelný výkon). Uplat uje se p itom více faktor : sv telný tok použitých
sv telných zdroj (6 - 145 lm/W); sv telná ú innost zvolených svítidel (0,3-0,95); elektrická ú innost
použitých svítidel (zejména aplikace elektronických p ed adník ); výška umíst ní svítidel nad
pracovní plochou; odraznost st n. Hodnoty m rného el. p íkonu um lého osv tlení kancelá í
se následn mohou pohybovat od 9 do 100 W/m2 , p i emž b žná hodnota pro nové kancelá e a
zá ivky je cca 15 W/m2. Tepelný zisk od svítidel lze dále snížit p ímým odvodem ásti tepelné zát že
mimo prostor kancelá e. Nap íklad odvodem teplého vzduchu kolem svítidel nebo p ímo svítidly
s integrovaným odvodem vzduchu. Podobného efektu lze také docílit nap íklad p ívodem sv tla
sv tlovody od zdroje sv tla umíst ného mimo prostor kancelá e (používá se nap . pro galerie a
muzea). Další možnost snížení spot eby energie a produkce tepla osv tlením je kvalitní regulace
(ovládání) svítidel podle skute né pot eby.
Tepelné zisky od kancelá ské techniky p edstavují v nyn jší dob výraznou ást celkové sumy
vnit ních tepelných zisk administrativních budov. V b žném administrativním provozu má každý
pracovník jeden osobní po íta , další výkonné po íta e a servery jsou na specializovaných
pracovištích. Dále jsou v kancelá ích umíst ny tiskárny, faxy, scannery, kopírky a další kancelá ská
technika. Ur ení tepelné zát že od této kancelá ské techniky je pom rn náro né, protože b žný
cyklus výzkumu, prezentace jeho výsledk a p ípravy projek ních podklad je pom rn pomalý a
neodpovídá velmi dynamickému a rychlému vývoji výpo etní techniky. P i ešení tepelných zisk od
osobních po íta
nelze vycházet ze štítkových hodnot el. p íkonu, protože ten se týká pouze max.
p íkonu zdroje. Skute ný p íkon, resp. tepelný výkon po íta e m že být výrazn odlišný. Pro tepelný
výkon je rozhodující konfigurace a užívání po íta e. Jádrem po íta e je mikroprocesor, jehož rychlost
a tudíž i tepelný výkon stále roste. Odvod tepla se stává jedním ze základních problém p i dalším
zvyšování rychlosti mikroprocesor . První po íta e m ly procesory chlazené p ímo bez chladi e.
Následn
byly procesory osazovány pasivními chladi i (žebra pro odvod tepla) nebo aktivními
chladi i
s ventilátorem.
Sou asné
po íta e
mají
již
chladi e
procesor
zebrované
se
zabudovaným ventilátorem. Teplo je odvád no do sk ín po íta e a z ní spolu s teplem od ostatních
sou ástí do okolí. Objevují se i po íta e s vodou chlazenými procesory, zatím však spíš jako ešení pro
zvýšení výkonu procesor
ur ených pro speciální aplikace. V administrativních budovách
mají
nejv tší výkony po íta e s výkonnými procesory a po íta e s grafickými kartami provozované pro
náro né výpo ty, nap íklad pro konstruování
Tab. 3.8 : Výkony po íta
i po íta ové simulace. Po íta e pro b žnou
a monitor podle m ení z roku 1991-1998 (Duška 2004)
Tabulka 3 : P ehled maximálních výkon po íta
Tabulka 4 : P ehled maximálních výkon monitor
Provoz [W] Útlum [W]
Provoz [W] Útlum [W]
Pr m rná hodnota
55
35
Malý monitor 13-15 pal.
55
55
Bezpe ná hodnota
65
40
St ední monitor 16-18 pal.
70
70
Velmi bezpe ná hodnota
75
45
Velký monitor 19-20 pal.
80
80
Miloš Lain 2007
42
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab. 3.9: Pr m rné hodnoty startovních výkonu po íta
Po íta e
Celkem
1. skupina
2. skupina
Pr m rná
hodnota
103
77
115
výkonu [W]
Sm rodatná 22
3,8
7,5
odchylka
a monitor (Lukeš 2007)
3. skupina
4.skupina
Monitory
LCD 17“
96
132
31
3,4
24
-
kancelá skou práci mají výpo etní výkony i vytížení menší, tudíž jsou menší i tepelné výkony
P i posuzování tepelné zát že produkované výpo etní technikou bylo vycházeno p edevším z rozsáhlé
výzkumné práce Ing. Dušky (Duška 2004, 2007). V tabulce 3.8 jsou uvedeny hodnoty tepelných
výkon po íta
vycházející z m ení provád ných v roce 1991 až 1998.
Z t chto hodnot vyplývá, že st ední hodnota pro po íta s monitorem v plném provozu byla cca
130 W. Výsledky m ení provád ných v roce 2007 jsou uvedeny v tabulce 3.9. St ední tepelný výkon
po íta e s LCD panelem je t eba, jak ukazuje tabulka, uvažovat cca 140 W. Z tabulek nam ených
hodnot (Lukeš 2007) lze nalézt maximální hodnotu startovního tepelného výkonu po íta e 150 W a
minimální 63 W. Tepelné výkony LCD monitor jsou cca 30 W pro 17“ a 40 W pro 20“, CRT
monitor m odpovídá hodnota 50 W.
Samotnou kategorii mohou tvo it p enosné osobní po íta e notebooky. U t chto po íta
p edpokládá
se
astý provoz z baterie, tedy bez el. sít . Díky tomu jsou jednotlivé díly výrobci
optimalizovány na nižší el. spot ebu, a tím klesá i tepelný výkon, a to jak konstrukcí, tak r znými
úspornými režimy, do kterých se komponenty p epínají v p ípad dlouhodob jší ne innosti. B žná
baterie notebooku má p ibližn 50 Wh a v tšina výrobc garantuje 2 až 3 hodiny provozu s využitím
pouze baterie. To odpovídá tepelnému výkonu 16-25 W na notebook. Problémem je však skute nost,
že pokud se notebooky používají v kancelá ích, jsou v tšinou napojeny do el. sít a asto se používají
s dalším v tším monitorem a dalšími periferiemi, ímž jejich výkon nar stá. Ostatní kancelá ská
Obr.3.14 Vodní chlazení po íta
Miloš Lain 2007
43
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
technika p edstavuje rovn ž nezanedbatelný tepelný zisk. Tiskárny, kopírky, scannery, externí
pam ová za ízení mohou též výrazn p ispívat k tepelné zát ži.
Zisky od výpo etní techniky jsou závislé na konkrétní konfiguraci a použití. Obecn platí, že díky
nár stu výkonu výpo etní techniky roste i tepelný výkon po íta i produkovaný.
zpomalován uplat ováním nových technologií, nicmén u stolních po íta
áste n je nár st
nemá snížení el. p íkonu u
konstruktér p íliš vysokou prioritu. Ur itou cestou pro snížení tepelného výkonu m že být jak p ímé
využití notebook , tak použití princip notebook i pro stolní po íta e. Druhou možností je p ímý
odvod tepla od procesor do chladicí vody. Prvky pro vodní chlazení procesor a grafických karet je
možné b žn koupit (obr. 3.14). Nutno však podotknout, že v tšina systém vodního chlazení pracuje
s cirkula ní vodou a teplo je odvád no do okolí, tj. kancelá e. ešení, které by umožnilo odvod tepla
mimo kancelá e zatím není komer n dostupné. Je otázkou, zda snížení tepelné zát že od výpo etní
techniky je dostate ným impulsem pro vývoj takovéhoto systému. Velkou p edností p ímého vodního
chlazení je i možnost použití pom rn vysokých teplot chladicí vody (20-40 °C). Vývoji vodního
chlazení po íta , jako samostatného systému technických za ízení budov, by m la být v nována
pozornost. Výzkumný projekt zabývající se touto problematikou by byl vhodným navázáním na
16
2
M rná tepelná zát ž (W/m )
analýzy a záv ry prezentované v rámci této práce.
60
14
50
M rná zát ž (W/m 2)
12
10
8
6
4
2
0
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
as (h)
as
Obr. 3.15: Vybrané denní profily tepelných zisk
Sou asnost a asový profil vnit ních tepelných zisk jsou d ležité p edevším p i dynamickém ešení.
V kancelá ských budovách vychází
asový profil z pracovní doby. V asovém profilu m žeme
Obr. 3.16: Denní profil tepelných zisk od po íta
Miloš Lain 2007
(Lukeš 2007)
44
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
rozeznat p t interval (obr. 3.15). Ranní náb h, který je vzhledem k rozdílnému za átku pracovní doby
rozložen do cca 2 hodin, dále dopolední a odpolední špi ku, kdy skoro všichni zam stnanci pracují na
svých pracovištích, polední útlum (cca 2 h) a ve erní pozvolný útlum (cca 4 h) respektující pozvolný
odchod zam stnanc . Tento asový profil lze použít na tepelné zisky od osob. M ení ukazují, že
tepelné zisky od po íta
mají podobný charakter (obr. 3.16), ale chybí zde polední útlum
(zam stnanci nevypínají své po íta e), naopak u zisk od monitor už díky automatickému vypínání
k polednímu útlumu dochází.
Tab. 3.10: Analýza vnit ních tepelných zisk
Osoby
Osv tlení
W
W/m
2
W/m
2
W/m
Výpo etní technika
2
os/ks
W
W/m
2
Další kancelá ská
technika
2
os/ks W W/m
Cekem
W/m
4
0.5
26
62
15.5
15
7.5
1
140
35.0
20
300
3.8
62
2
6
0.6
26
62
10.3
15
6.0
1
140
23.3
14
300
3.6
43
3
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
32
4
10
0.7
26
62
6.2
15
4.5
1
140
14.0
7
150
2.1
27
5
12
0.7
26
62
5.2
15
4.5
1
140
11.7
2
100
4.2
26
6
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
230
28.8
8
200
3.1
44
3
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
32
7
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
70
8.8
12
200
2.1
23
8
8
0
26
62
7.8
15
15.0
1
140
17.5
10
200
2.5
43
9
8
0.5
26
62
7.8
15
7.5
1
140
17.5
10
200
2.5
35
10
8
0.7
26
62
7.8
30
9.0
1
140
17.5
10
200
2.5
37
3
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
32
11
8
0.7
26
62
7.8
9
2.7
1
140
17.5
10
200
2.5
30
12
8
0.7
22
86.8
10.9
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
35
3
8
0.7
26
62
7.8
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
32
13
8
0.7
30
37.2
4.7
15
4.5
1
140
17.5
10
200
2.5
29
14
12
0.9
26
62
5.2
9
0.9
1
70
5.8
6
100
1.4
13
15
4
0.5
26
62
15.5
30
15.0
1
230
57.5
20
300
3.8
92
Vliv osv tlení
Vliv výpo etní
techniky
Vliv obsazenosti
1
Vliv teploty
vzduchu
Obsaze P irozené Teplota
nost
osv tlení vzduchu
2
2 2
m /os
m /m
°C
Extrém
Varianta
2
Tabulka 3.10 a obr. 3.17 ilustrují výsledky analýzy, která se zabývala zpracováním m rných vnit ních
tepelných zisk administrativních prostor. Vzhledem k tomu, že v administrativních prostorách je
v tšina vnit ních zisk vázaná na osoby, je základním kriteriem podlahová plocha kancelá e pro
jednoho pracovníka. Ta odpovídá v R b žn 6 až 10 m2/os. V tší podlahové plochy jsou obvykle
uvažovány pro vedoucí pracovníky. V p ípad jednotlivých kancelá í je v tšinou plocha na jednoho
pracovníka v tší než u kancelá í velkoplošných. Dle platných
eských p edpis
(Na ízení
2
vlády178/2001 Sb.) je minimální volná plocha na jednoho pracovníka 2 m , minimální sv tlá výška
2,5 m a minimální objem 12 m3. Dalším parametrem je podíl podlahové plochy s p irozeným
osv tlením, který zohled uje pot ebu trvalého um lého osv tlení. Pro každý parametr je v analýze
dosazeno n kolik hodnot, které odpovídají možným rozsah m veli in v administrativních budovách
Miloš Lain 2007
45
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
(hodnoty vychází z prezentovaných p íkladových studií). Z provedené analýzy (obr. 3.17) vyplývá, že
vnit ní tepelné zisky v administrativních budovách se mohou pohybovat ve velmi širokém rozsahu (19
až 92 W/m2), b žné hodnoty se pohybují v rozmezí 30 až 40 W/m2. Nejv tší vliv na vnit ní tepelné
zisky administrativních budov má obsazenost kancelá í (podlahová plocha na jednoho pracovníka), a
z toho nejv tší ást vnit ních tepelných zisk (cca 61%) p edstavují zisky od výpo etní techniky.
Záv rem této podkapitoly lze íci, že vnit ní zisky p edstavují významnou tepelnou zát ž. Práv
snížení vnit ních zisk
je klí ovým problémem pro navrhování nízkoenergetických a pasivních
zp sob chlazení budov. Je t eba používat úsporného a nejlépe regulovaného denního osv tlení a
sou asn je t eba hledat efektivní zp soby pro odvod tepelné zát že od výpo etní techniky.
M rná vnit ní tepelná zát ž [W/m2]
100
90
80
70
Vliv obsazenosti
Vliv výpo etní
techniky
60
Vliv teploty
vzduchu
Vliv osv tlení
50
40
30
20
10
0
Obr. 3.17: Analýza vnit ních tepelných zisk administrativních budov
3.3.2
Tepelné zisky z vn jšího prost edí
Tepelné zisky z vn jšího prost edí p edstavují p edevším zisky okny zp sobené radiací, dále zisky
prostupem tepla okny a st nami. Do tepelných zisk z vn jšího prost edí lze zahrnout i zisky v tráním.
Výpo et tepelných zisk radiací je všeobecn známý a vychází ze slune ní geometrie (Nový 2000,
SN 730548). Výpo et b žn používaný v R se dob e shoduje s postupy podle dalších zahrani ních
p edpis (Chmel 2004).
i Tab. 3.11: Porovnání popisu vlastností zasklení (Chmel 2004)
stínící sou initel
etalon
norma
T+Ai
difusní) dopadající na okna je
SN 73 0548
s
iré sklo tl. 3 mm
áste n
propoušt no
a
g
b
dvojité sklo
áste n odraženo. Další ást VDI 2078
Slune ní
zá ení
(p ímé
je akumulována do zasklení. ASHRAE
Tuto situaci popisuje známý SN EN 410
SHGC
SC
iré sklo tl. 3,175 mm
g
-
-
vztah T+R+A=1 (pom rná propustnost, odrazivost a pohltivost).
Tento vztah je komplikovaný
skute ností, že dopadající slune ní radiace i vlastnosti zasklení mohou mít nerovnom rné rozložení
Miloš Lain 2007
46
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
v závislosti na úhlu dopadu nebo na vlnové délce zá ení. Pro tepelné zisky je d ležitá jak ást zá ení
procházející zasklením (definovaná propustností T), tak ást pohlcená a p edaná do vnit ního prost edí
konvekcí (dáno pohltivostí ve sm ru zá ení Ai). Sou et T+Ai se v literatu e nazývá celkový initel
prostupu slune ní energie a ozna uje se g nebo SHGC (Tab. 3.11). Celkový prostup slune ní energie
je závislý na úhlu dopadu a tato závislost je pro v tšinu druh zasklení shodná. Je tedy výhodné
srovnávat r zné typy skel s ur itým etalonem. Pro v tšinu zasklení lze výpo et tepelných zisk od
slune ní radiace oknem zjednodušit na výpo et tepelných zisk
p es etalon korigovaný stínícím
sou initelem (Chmel, 2004).
Hlavním d vodem použití oken v budovách je p irozené osv tlení. Pokud je u skel snižována
propustnost, snižují se sice tepelné zisky, ale sou asn
zasklením. Speciální zasklení (spektráln
klesá i množství sv tla procházejícího
selektivní) pro minimalizaci tepelných zisk
využívá
rozdílné pohltivosti materiál pro r zné vlnové délky. Spektráln selektivní zasklení mohou mít až
dvojnásobnou propustnost viditelného zá ení proti propustnosti zá ení tepelného (Obr. 3.18).
Další ú innou metodou snížení tepelných zisk radiací je vn jší stín ní nastavitelnými žaluziemi.
100
Teplo
90
Svetlo
100
80
50
Thermobel
Thermoplus
60
TL
Propustnost svetla
Propustnost
70
50
Thermobel
coloré
40
30
Sunergy
Stopsol
20
Solarbel
Stopray
10
0
280 380
780
1000
2000
2500 2700
0
0
Vlnová délka [nm]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
FS
Propustnost tepelného zárení [%]
Obr. 3.18: Spektráln selektivní zasklení (Glaverbel 2005)
Tepelné zisky prostupem st nami, jsou u moderních budov díky vysokým tepelným odpor m st n
pom rn malé. Tepelné zisky obvodovými st nami lze snížit stín ním fasády.
3.3.3
Záv r
Tepelné zisky mají zcela zásadní význam pro navrhování systém pasivního a nízkoenergetického
chlazení budov. Je t eba využít všechny možnosti jejich snížení.
Miloš Lain 2007
47
Nízkoenergetické chlazení budov -
4
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pasivní chlazení
Pod pojmem pasivní chlazení se rozumí p edevším projektování takových budov, které žádné chlazení
nepot ebují. Využívá se pasivních prvk snižujících tepelné zát že, akumulace tepla a p irozeného
odvodu tepla. Koncepce pasivního domu z pohledu chlazení by m la být základem i pro budovy
s chlazením nízkoenergetickým nebo strojním a n které principy jako t eba p irozené no ní v trání,
jsou zahrnovány jak do pasivních tak do nízkoenergetických systém . Dlouhodob se koncepcí
pasivních dom z pohledu chlazení zabývají p edevším v jižní Evrop a USA, mezinárodn uznávaný
je p edevším výzkum v ecku, Portugalsku, Francii, USA. V podmínkách eské republiky je pasivní
chlazení standardem pro adu typ
budov (obytné, výrobní, zem delské) a vyskytuje se i ada
administrativních budov, které nemají strojní chlazení. Problém je v p ístupu p edevším architekt
k pasivnímu chlazení. Pro adu architekt se budovy d lí na klimatizované a neklimatizované. U
neklimatizovaných je pak v tšinou letní situace ešena okrajov a velmi povrchn . P i správném
návrhu je t eba provést návrh neklimatizované (nechlazené) budovy s ohledem na letní tepelnou
pohodu. Dle charakteru vnit ní a vn jší tepelné zát že je t eba použít principy pasivního chlazení,
které umožní odvod tepelné zát že v letních m sících p i zachování tepelné pohody ve vnit ním
prost edí. Zásady a možnosti pasivního chlazení jsou uvedeny v této kapitole, p ípadové studie
prezentující detailní ešení pasivních budov jsou v kapitole 6.
4.1 Tvar budovy a urbanistické ešení
Z pohledu pasivního chlazení by budova m la mít takový tvar a orientaci, aby se omezily na
minimální míru tepelné zisky v letním období a zárove byl umožn n a podporován p irozený odvod
tepla, v tšinou v tráním. Doporu ení pro vhodný tvar budovy jsou siln poplatna klimatické oblasti ve
které se budova nachází. T žko m žeme použít otev ené thajské budovy, ideální pro zajišt ní stínu a
prov trání v míst kde teplota celoro n neklesne pod 20 °C, pro klima st ední i severní Evropy, kde
se zimní teploty pohybují hluboko pod bodem mrazu. P esto nám m žou být n které principy b žné
v teplém klimatu inspirací.
V ad míst sv ta existuje p evládající sm r v tru, a tvar budovy i její okolí lze p izp sobit tak, aby
docházelo k maximálnímu prov trání. V p ímo ských oblastech se vyskytují brízy, vanoucí z mo e na
pevninu, nebo naopak.
V eské republice je málo míst s výrazn p evládajícím sm rem i charakterem v tru, proto je obtížné
navrhovat budovu tak, aby bylo maximáln využito tlakového ú inku v tru.
Miloš Lain 2007
48
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
4.2 Okolí budovy - tepelné ostrovy
Problém tepelných ostrov nastává p edevším v hust osídlených oblastech, v centrech m st, p ípadn
v pr myslových zónách. Zna ná
ást dopadajícího slune ního zá ení je pohlcena st echami,
obvodovými konstrukcemi budov, a povrchem vozovek a parkoviš a z nich se pak teplo sdílí
konvekcí a sáláním do okolí. Tento d j zp sobuje to, že teploty vzduchu v takovýchto oblastech jsou
výrazn vyšší než v otev ené krajin , kde se provád jí meteorologická m ení. Díky t mto tepelným
ostrov m je pak použití venkovního vzduchu pro odvod tepelné zát že výrazn obtížn jší a rostou i
tepelné zisky budov.
Obr. 4.1: Ná rtek teplotního profilu v m stském tepelném ostrov (Akbari 1992)
V souvislosti s globálním oteplováním se posuzuje i celková pohltivost území pro dopadající zá ení.
Snížení pohltivosti m st sníží jak nár st teploty ve vlastním m st , tak zpomaluje i nár st teploty
planety a tím globální oteplování. Jedním z možností snížení nár stu teplot v centrech m st jsou
materiály s nižší pohltivostí. ada m st a vesnic v teplých oblastech má výrazn p ízniv jší charakter,
Obr. 4.2: Odrazivosti prototyp betonových barevných st ešních krytin naho e p vodní, dole nov
vyvinuté (Akbari 2003)
Miloš Lain 2007
49
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
používají se bílé nát ry st n i fasád, asto i zatravn né i skráp né st echy. Pro moderní m sta jsou
vyvíjeny speciální materiály se sníženou pohltivostí pro st echy, vozovky a parkovišt (Obr. 4.2).
Použití t chto materiál pro st echy a vozovky by mohlo zvýšit v pr m ru albedo obydlených oblastí
o 0,1 a tím snížit teplotu planety o 0,01 K. Toto snížení by kompenzovalo celosv tovou produkci CO2
za 0,2 roku (10 Gt CO2). Chladné st echy mohou snížit spot ebu energie klimatizace p ibližn
v hodnot 10 miliard USD (Akbari, 2007).
Extrémní situace nastává v n kterých amerických a asijských velkom stech, kde je zástavba tak hustá
a velké množství výškových budov zp sobuje, že vítr není schopen zajistit odvod tepla a p ívod
erstvého vzduchu do celých tvrtí.
I když eská m sta nejsou zdaleka tak velká a hust obydlená, p esto i u nás je efekt tepelných ostrov
nezanedbatelný. Intenzita teplotního ostrova je definována jako rozdíl maximální teploty vzduchu
v centru m sta oproti teplot vzduchu na venkov . Intenzita teplotního ostrova záleží na velikosti
m sta jeho zem pisné poloze, ro ním období, na denním a no ním chodu a na rychlosti a sm ru v tru.
Pro Prahu je letní pr m rná intenzita tepelného ostrova ur ená z m ení v Klementinu a p ti
meteorologických stanic v okolí Prahy 2,7 K až 3,1 K (Obr.4.3).
etnost intenzit tepelného ostrova
v tších než 4 K je v lét 7 až 16 % (Beranová 2002).
Díky nár stu po tu obyvatel, intenzifikaci dopravy a dalším faktor m dochází k nár stu intenzity
tepelného ostrova u v tšiny m st (obr. 4.4).
Obr. 4.3: Intenzita pražského tepelného ostrova pro jednotlivá ro ní období (Beranová 2002)
Miloš Lain 2007
50
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Stupn za rok
Nízkoenergetické chlazení budov -
Obr. 4.4: Nár st intenzity tepelného ostrova vybraných m st (Akbari 2007), a pro Prahu (Beranová 2002)
Krom efektu m stských tepelných ostrov , vznikají i místní tepelné ostrovy okolo jednotlivých
budov. Vzduch se oh ívá jak nad ulicemi a parkovacími plochami, tak podél oslun né fasády budovy.
Tyto lokální teplotní rozdíly je t eba respektovat p i návrhu systému v trání a klimatizace a systém
m ení a regulace. Sání erstvého vzduchu by nem lo být v míst s rizikem vyšší teploty (vhodná je
severní orientace), také idla m ení a regulace je t eba d kladn stínit proti slune nímu zá ení a
umístit mimo lokální tepelné ostrovy.
4.2.1
Efekt strom a zelen
Rostliny mají naopak p íznivý vliv na teplotu vzduchu a intenzitu zá ení, jak v interiéru budov tak
v jejich okolí. Rostliny, p edevším stromy pohlcují zna nou ást slune ního zá ení listy, pohlcená
energie se áste n využije pro fotosyntézu (možno zanedbat), áste n se p edá do okolí ve form
vázaného tepla (odpar vody z pór rostliny) a áste n se p edá do okolí ve form tepla citelného.
Rozhodující pro výslednou bilanci je množství vody odpa ené z povrchu list , které zp sobuje snížení
teploty vzduchu. Z povrchu list s otev enými póry se odpa í 50 až 70 % vody jako z vodní hladiny o
stejné ploše, p i stejných klimatických podmínkách (Santamouris 1996). M ení efektu strom u dvou
dom
v Sacramentu v Kalifornii v roce 1992 ukázala, že stín ní a ochlazování vzduchu stromy
v blízkosti budov vedlo ke snížení spot eby energie na chlazení o 30 % (3,6 a 4,8 kWh/den) a snížení
maximální spot eby el. energie o 0,6 a 0,8 kW (27 % a 42 %) (Akbari 2005). Výsadba strom a
rozší ení park má významný vliv na snížení výše zmi ovaného efektu m stských tepelných ostrov ,
v pr m ru m žou stromy snížit odpolední letní teploty ve m stech o 0,3 až 1 K v n kterých p ípadech
i o 3K (Akbari 2005).
U listnatých strom je p íznivé i opadání listí v zimním období, kdy není stín ní v našich klimatických
podmínkách žádoucí. Listnatý strom má v lét propustnost slune ního zá ení 15 až 30%, a v zim
55
až 65% (Santamouris 1996). Pro chlazení budov jsou rozhodující dva efekty strom a rostlin –stín ní
a snížení teploty vzduchu adiabatickým odpa ováním vody z list ; t etí vliv, který také hraje ur itou
Miloš Lain 2007
51
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
roli, je rostlina jako p ekážka p i proud ní v tru. Krom toho existují i další p íznivé vlivy strom a
rostlin, jako je p em na CO2 na kyslík, pohlcování smogu, tlumení hluku a v neposlední ad
vytvá ení lidem p íjemného prost edí.
Pro detailní ešení vlivu zelen existují modely založené na bilanci vázaného tepla sdíleného konvekcí
a sáláním. Bilance vázaného tepla lze
ešit podle vztahu uvedených v zahrani ní literatu e
(Levinson1997):
4.2.2
Význam vodních hladin a fontán
Podobn jako u strom p ispívají ke snížení teploty vzduchu i vodní plochy a fontány. U vodních
ploch a fontán dochází k adiabatickému odpa ování vody a citelné teplo se p em uje na vázané. U
v tších vodních objem jako jsou jezera a rybníky, má vliv i vlastní tepelná kapacita objemu vody. P i
adiabatickém ochlazování vodou lze snížit teploty vzduchu o cca 4 K (Santamouris 1996).
Kombinace vodních hladin a strom m že kompenzovat v okolí budovy efekt m stského ostrova a
snižovat teplotu vzduchu. Vodní plochy nebo rostliny mohou být i sou ástí stavby nap íklad zelené
st echy i fasády porostlé rostlinami.
Miloš Lain 2007
52
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
4.3 Tepelná hmota budovy
Jako tepelná hmota budovy je definována hmota stavebních konstrukcí p ípadn vybavení, která
se podílí na akumulaci tepla budovy (Santamouris 1996). Tepelná kapacita stavebních konstrukcí
p edstavuje výrazný faktor ovliv ující parametry prost edí v budov . Charakter tepelných zisk je
v tšinou cyklický a to jak b hem dne tak b hem roku, proto stavba s dostate nou tepelnou hmotou
akumuluje teplo v dob špi kové zát že b hem dne a uvol uje ho v dob minimální zát že v noci
(p ípadn léto-zima).
Proto je vysoká tepelná hmota budovy v podstat nutnou podmínkou pro
koncepci pasivní budovy z pohledu chlazení.
Tepelná hmota budovy použitelná pro útlum kolísání teplot v denním cyklu je tvo ena vrstvou
konstrukcí st n, stropu a podlah do hloubky 40 až 100 mm, p i emž akumula ní schopnosti obvodové
st ny jsou výrazn omezeny tepelným tokem z vn jšího prost edí a sezónní akumulací tepla.
Detailní výpo et chování tepelné hmoty je pom rn složitý. Je t eba kombinovat p estup tepla
konvekcí mezi st nou a vnit ním vzduchem, teplo p edané zá ením - jak vn jší procházející okny, tak
zá ení z vnit ních zdroj
a vzájemné sálání st n spolu s nestacionárním vedením tepla ve vlastní st n .
Tepelné
ztráty
vychází ze
zjednodušeného
sinusového
pr b hu tepelných zát ží a
Vytáp ní
T žká
P i ešení se bu
zjednodušené bilance zá ení,
Lehká
nebo z výpo tu dynamickým
Tepelná
pohoda
po íta ovým
modelem
p ípadové studie v kapitole 8).
Ur itým
mezistupn m
potom
Tepelné
zisky
Chlazení
Obr. 4.4: Schématický pr b h denní pot eby chlazení i vytáp ní
(Santamouris 1996)
(viz
(po íta ové)
prezentované
jsou
zjednodušené
modely
v evropských
normách EN ISO 13791 a
13792.
Jednou z možností jak výrazn zvýšit tepelnou hmotu budovy je uplatn ní materiál
se zm nou
skupenství (PCM), které mají výrazn vyšší tepelnou kapacitu p i malých rozdílech teplot (Ostrý
2006).
Miloš Lain 2007
53
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
4.4 Stín ní budovy, oken
Základním prvkem pasivních budov z pohledu chlazení je snížení tepelné zát že radiací okny.
K neú inn jším možnostem pat í vn jší stín ní oken. Stín ní je možné zajistit pevnými i pohyblivými
prvky, žaluziemi, roletami, markýzami, i slunolamy. V této kapitole bude prezentován správný návrh
stínících prvk .
4.4.1
Slune ní geometrie
Poloha slunce je dána slune ním azimutem a (úhel slune ního paprsku od sm ru sever) a výškou
slunce nad obzorem h (úhel pod kterým pozorovatel vidí slunce nad obzorem), oba tyto úhly závisí na
slune ní deklinaci δ (zem pisná ší ka s kolmým dopadem paprsk ve 12 hodin slune ního asu).
Vztahy pro výpo et polohy slunce jsou všeobecn známé a hojn publikované (Nový 2000) proto je
nebudu v této práci uvád t.
Stínící prvek by m l být navržen tak, aby v dob vysoké intenzity dopadajícího zá ení byla okna pln
zastín na. Za p edpokladu vodorovného stínícího prvku lze ur it délku stínu ( SN 730548) ze vztahu:
E =C⋅
tg (h )
.....................................................................................................(4.1)
cos(a − γ )
Kde E .......délka stínu [m]
C.......hloubka stínícího prvku [m]
h........výška slunce nad obzorem [°]
C
E
a........slune ní azimut [°]
γ ........azimut normály st ny [°]
Obr. 4.5: Schéma délky
stínu
Pro analýzu optimální velikosti stínicích prvk byl proveden výpo et pom rné délky stínu (délka stínu
odpovídající 1 m hlubokému vodorovnému slunolamu) pro Prahu a vybrané letní m síce (každý m síc
reprezentován 1 dnem dle SN 730548); tyto délky stín spolu s intenzitami celkové slune ní radiace
procházející standardním zasklením v jasný den, vztažené k letnímu
asu, jsou znázorn ny na
obrázcích 4.6 a 4.7.
Z analýzy výsledk vyplývá, že pro jižní orientaci je možné použít vodorovných stínících prvk
(slunolam ) nad okny. Délka stínu bude nejnep ízniv jší v m síci zá í, kdy bude odpovídat celodenn
0,84 násobku hloubky stínícího prvku, v zá í dosahují maximálních hodnot i intenzity radice
dopadající na jižní st nu. V ostatních letních m sících budou délky stín výrazn v tší (v srpnu bude
minimální délka stínu 1,27 hloubky stínícího prvku). V p ípad instalace vodorovných pevných žaluzií
je vhodné, aby rozte žaluzií byla 0,84 krát hloubka stínící lamely, v p ípad slunolamu t sn nad
oknem by jeho hloubka m la být 1,2 krát výška okna.
Miloš Lain 2007
54
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Stín- ervenec
Stín-srpen
Stín-zá í
Radiace- erven
Radiace- ervenec
Radiace-srpen
Radiace-zá í
600
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
500
400
300
Jih
200
100
1.27
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
15:00
16:00
0
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
0.84
Intenzita celkové slune ní radiace
procházející st. zasklením [W/m2]
Stín- erven
5:00
Délka stínu
Nízkoenergetické chlazení budov -
Hodina
Stín- erven
Stín- ervenec
Stín-srpen
Stín-zá í
Radiace- erven
Radiace- ervenec
Radiace-srpen
Radiace-zá í
600
5
500
5
500
4
400
4
400
0
21:00
0
20:00
100
19:00
1
18:00
200
17:00
13:00
12:00
300
2
16:00
Hodina
11:00
0
10:00
0
9:00
100
8:00
1
7:00
200
6:00
2
Západ
3
15:00
300
14:00
Východ
13:00
3
Intenzita celkové slune ní radiace
procházející st. zasklením [W/m2]
6
Délka stínu
600
Intenzita celkové slune ní radiace
procházející st. zasklením [W/m2]
6
5:00
Délka stínu
Obr. 4.6: Pom rná délka stínu [mstínu/mstínícího prvku] a celková slune ní radiace pro jižní orientaci st ny
Hodina
Obr. 4.7: Pom rná délka stínu [mstínu/mstínícího prvku] a celková slune ní radiace pro východní a západní
orientaci steny
Miloš Lain 2007
55
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pro západní a východní orientaci st n se vodorovné stínící prvky nehodí, v dob maximální dopadající
radiace je pom rná délka stínu výrazn nižší než 1. V dob kdy pom rná délka stínu dosahuje hodnot
0,333 (tj. pro zastín ní 1 metru okna je t eba 3 m hloubky slunolamu) jsou intenzity radiace
procházející zasklením blízké 400 W/m2. Proto pro východní a západní orientaci je t eba použít
stínících prvk s pohyblivými lamelami.
4.5 P irozené v trání
Budovy s p irozeným v tráním (bez ventilátor ), které je využíváno na odvod tepelné zát že v letních
m sících jsou asto zahrnovány mezi budovy s pasivním chlazením.
P irozené v trání se v tšinou rozlišuje jako infiltrace, prov trávání, aerace a šachtové v trání (Nový
2000). Komplexní ešení p irozeného v trání budovy m že být kombinací t chto základních metod.
B žné je využití p irozeného v trání rozdílem hustot vzduchu v halách s vnit ními tepelnými zisky
(aerace). V t chto halách je celoro n vyšší teplota než teploty venkovního vzduchu a spodní otvory
slouží pro p ívod a horní pro odvod, v hale nejsou žádné další výrazné odpory pro proud ní vzduchu.
V zimních m sících je výrazn vyšší rozdíl teplot a tudíž i ú inný tlak a pro stejný požadovaný pr tok
vzduchu je možné využít menších otvor , menší zimní p ívodní otvory se v tšinou umis ují výše, aby
se zmenšilo riziko pr vanu v pracovní oblasti. Naopak velké p ívodní otvory pro léto jsou u podlahy,
kde se maximáln využije výška objektu a vyšší rychlosti proud ní jsou p i vysokých teplotách v hale
p íznivé.
V objektech s nižší tepelnou zát ží dochází v tšinou b hem horkých letních dn k opa nému proud ní
a vzduch je p ivád n horními otvory a odvád n spodními, protože teplota v objektu je nižší než
teplota venkovního vzduchu. Optimální návrh a regulace takového systému je pom rn náro ná,
protože teplejší venkovní vzduch m že zah ívat budovu, ale zárove v trání odvádí tepelné zisky. Pro
budovy s velmi nízkými tepelnými zisky je v tšinou vhodn jší v trání b hem dne omezit. Dynamická
Obr. 4.8: P irozené v trání budov (Allard 2003)
Miloš Lain 2007
56
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
po íta ová simulace m že pomoci p i hledání optimálního režimu.
4.5.1
Zásady pro p irozené v trání administrativních budov
P i návrhu budovy s p irozeným v tráním je t eba již od prvního konceptu zohlednit koncepci v trání.
Budova musí mít vhodn
navržené p ívodní otvory. V p ípad
že jsou to okna, m la by být
otevíratelná ást dostate n velká, m la by umož ovat nastavení velikosti otev ení (podle pot eby
v trání) a m la by být zabezpe ena proti pov trnostním podmínkám (silný vítr, déš ). Je možné použít
servopohonu pro otevírání oken. Je možné použití i speciálních v tracích otvor (št rbin), kde je
výhodu nap íklad možnost automatického nastavení pr toku, i ochrana proti dešti a vniknutí do
objektu.
Pro maximální využití proud ní vlivem v tru je t eba zajistit p í né prov trání budovy. Bu
velkoprostorovými kancelá emi s okny na obou stranách budovy, nebo dostate n velkými otvory
propojujícími kancelá e s chodbou p ípadn atriem. Tyto propojovací otvory by m ly být opat eny
tlumi i hluku pro zabrán ní p eslech .
Pro umožn ní proud ní vlivem rozdílných hustot uvnit a venku je t eba zajistit svislé šachty, ty
mohou být realizován formou speciálních vzduchových šachet, nebo atrií (Obr. 4.8).
Pro zvýšení tlakové diference v letních m sících lze použít solárních komín . Solární komín je
umíst n na st eše budovy jako sou ást šachty pro odvod vzduchu. Solární komín je ešen jako slune ní
kolektor, který oh ívá odvád ný vzduch a tím se zvyšuje rozdíl tlak
vlivem rozdílných hustot
vzduchu. Výhodou solárního komína je, že jeho funkce se zlepšuje s rostoucí intenzitou slune ní
radiace stejn jak nar stá i tepelná zát ž objektu. P i návrhu systému p irozeného v trání je t eba ešit
jak minimální pr toky, které nastávají v bezv t í a p i malých teplotních rozdílech a ov it, zda budou
dostate né, pro p ívod erstvého vzduchu a odvod tepelné zát že. Tak je t eba ov it i extrémní
pr toky, které mohou nastat p i vysokých rychlostech v tru a nebo velkých teplotních rozdílech,
vzhledem k riziku pr vanu. P i p edb žném i detailním ešení se vychází z rovnic prezentovaných
v kapitole 2. P i p edb žném návrhu se v tšinou provádí výpo et pro vybrané klimatické podmínky.
Pro detailní ešení je vhodná dynamická po íta ová simulace .
V našich klimatických podmínkách je problematické p irozené v trání v zimních m sících, kdy je sice
dostate ný rozdíl tlak díky rozdílu hustot, ale teploty p ivád ného vzduchu jsou velmi nízké a hrozí
nebezpe í pr vanu. Pro zimní v trání by m la být možnost nastavení malých p ívodních otvor
(št rbin).
Komponenty pro p irozené v trání rozsáhlých administrativních budov, nejsou na našem trhu p íliš
dostupné. Paradoxn se pak cena speciálních servopohon pro otevírání oken m že blížit i po izovací
cen ventilátorové klimatiza ní jednotky.
Miloš Lain 2007
57
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Prostor uzav ený v budov .
P echodový prostor.
Tato metoda p irozeného v trání vychází
z využití
centrálního
prostoru
jako
nap íklad atria nebo schodiš ové haly.
Uzav ený ze stran a p iléhající k jedné
fasád .
Komínové odvody.
Sousedící
prostory,
Každý v traný prostor má v trací šachu
samostatným komínem.
každý
se
nebo komín vyvedený nad st echu budovy
.
P ekrývající se prostory, každý se
samostatným komínem.
Paralelní odvod pro n kolik zón.
V trací šachty.
Každý prostor má samostatné šachty
Šachty jsou integrovány do konstrukcí
pro p ívod o odvod.
budovy. Jsou možná r zná architektonická
ešení za len ní šachet do objektu.
Paralelní rozvody jedním
Vzduchovodem.
Otvory ve fasád .
Nep ímé v trání p es meziprostor.
V trání budovy je v podstat založeno na
návrhu
vn jšího
plášt
budovy
s v tracími otvory. Jsou r zné možnosti
ešení
propojení
vnit ních
prostor
s venkem. Existují dv základní koncepce,
bu
Stranové v trání s p ímým p ívodem
vzduchu.
jednostranné v trání a nebo p í né
v trání.
Obr. 4.9: Typologie architektonického ešení p irozeného v trání (Allard 2003)
Miloš Lain 2007
58
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
4.6 Záv r
Pasivní administrativní budovy (z pohledu chlazení) jsou v eské republice stále hojn zastoupeny. A
pasivní chlazení je standardem u budov ur ených pro bydlení. Zásady správného návrhu pasivní
budovy lze shrnout do následujících bod které je t ena aplikovat p i návrhu budovy s pasivním
chlazením :
•
Minimalizace tepelných zisk z vn jšího prost edí (vn jší stín ní oken, selektivní skla, izolace
a stín ní fasád a st ech).
•
Minimalizace vnit ních tepelných zisk (dostate ná podlahová plocha na osoby, nepoužívat
kancelá skou techniku s vysokým tepelnými výkony, úsporné osv tlení).
•
Dostate ná tepelná hmota budovy (betonový strop bez podhled , podlaha bez koberc ).
•
Budova navržená tak, aby bylo možné p irozené v trání (nejlépe ve dne i v noci).
•
Umožnit tepelnou adaptaci zam stnanc
•
Snažit se minimalizovat teplotu okolo budovy (zele , vodní plochy).
(lehké oble ení, otevíratelná okna).
P i projektování nové nebo rekonstrukci stávající budovy s pasivním chlazením by m ly být ov eny
teploty ve vnit ním prostoru podle adaptivního modelu tepelné pohody a provedena optimalizace
jednotlivých prvk systému p edpokládaného provozu.
Miloš Lain 2007
59
Nízkoenergetické chlazení budov -
5
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Nízkoenergetické chlazení
V této kapitole jsou prezentovány principy jednotlivých hlavních metod nízkoenergetického chlazení,
jejich výhody, nevýhody a podklady pro p edb žný návrh.
5.1 No ní chlazení
No ní v trání je jedna ze základních metod nízkoenergetického chlazení budov. Tepelné zisky b hem
dne jsou akumulovány do tepelné hmoty budovy a odvedeny v tráním v noci. Podmínkou funkce
no ního v trání je tedy dostate ná tepelná hmota budovy, a no ní v trání venkovním vzduchem.
No ní v trání m že být p irozené nebo nucené. P irozené no ní v trání pat í spíš mezi pasivní metody
chlazení administrativních budov. No ní chlazení m že být používáno samostatn jako jediný zp sob
odvodu teplené zát že nebo ho lze kombinovat s jinými metodami nízkoenergetického nebo strojního
chlazení.
No ním chlazením se ve sv t zabývá ada prací. Olsen a Chen publikovali rozsáhlou studii (Olsen
2003) ve které zpracovali po íta ové simulace pro 7 hodinové no ní chlazení (od 23 do 6 hod)
programem „Energy Plus“, vycházeli z klimatických dat pro Velkou Británii (Heathrow). P i intenzit
Normalizovaná spot eba energie [-]
v trání 5 1/h bylo dosaženo snížení spot eby chladu 62 % (obr. 5.1).
chlazení
Stávající systém
bez NV
Vyt s ovací
v trání s NV
VAV systém
s NV
ventilátor
VAV systém
s NV a DV
Obr. 5.1: Vliv klimatiza ního systému a použití no ního v trání (NV) a p irozeného v trání b hem
dne (DV) na spot ebu energie budovy (Olsen 2003)
Stec publikoval výsledky po íta ových simulací pro Nizozemské klima založených na programu
Matlab Simulink. P i devítihodinovém p irozeném no ním v trání intenzitou 2 1/h se spot eba energie
na chlazení sníží o 50 % a p i intenzivním nuceném v trání (11 1/h) o 56 % (Stec 2005).
Kolokotroni sledoval vliv
ady parametr
na snížení spot eby energie pro chlazení typické
administrativní budovy ve Velké Británii (obr.5.2).
Miloš Lain 2007
60
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
T žk
Lehká
St ední
Tepelná hmota budovy
Vnit ní zisky
Vnit ní navrhovaná teplota (°C)
Intenzita p irozeného v trání 1/h
Nucené v trání 1/h
Provoz no ního v trání
Obr. 5.2: Snížení spot eby energie [%] proti referen nímu p ípadu pro chlazení typické administrativní
budovy (Kolokotroni 1999)
Todorovi ve své diserta ní práci (Todorovi 2007)
B lehradu, pomocí vlastního simula ního programu.
Na obrázku 5.3 je vliv vnit ní požadované teploty a
po tu hodin provozu no ního v trání na procentuelní
snížení pot ebného chladicího výkonu. Na obrázku 5.4
je pak znázorn n nár st spot eby energie ventilátor
v závislosti na intenzit v trání pro nucené v trání a
kombinaci nuceného p ívodu a p irozeného odvodu.
Z graf vyplývá, že optimální doba no ního v trání je
7 hodin a vyšší intenzity v trání než 8 vedou k nár stu
spot eby energie.
Miloš Lain 2007
Snížení spot eby chladu [%]
posuzovala úspory energie no ním v tráním pro klima
Požadovaná
vnit ní teplota
Po et hodin provozu NV
Obr. 5.3: Snížení chladicího výkonu p i
no ním v trání (Todorovi 2007)
61
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Ventilátor
Ventilátor
Chlazení
Chlazení
Celkem
Celkem
Intenzita v trání [1/h]
Intenzita v trání [1/h]
2
Obr. 5.4: Spot eba energie [kWh/ m za rok] v závislosti na intenzit no ního v trání pro nucené v trání
(vlevo) a kombinované v trání (vpravo) (Todorovi 2007)
Tyto studie stejn jako ada jiných (Santamouris 1994,1995, 2002) ukazuje vysoký potenciál no ního
v trání pro snížení spot eby energie budov na chlazení i možnosti použití pouze no ního chlazení pro
budovy s nízkými tepelenými zisky. V p ípad nuceného no ního chlazení je vyznamným problémem
spot eba el. energie ventilátor p i no ním provozu. Ukazuje se, že je t eba optimalizovat provoz
no ního chlazení. P i neoptimalizovaném provozu je vysoká pravd podobnost toho, že no ní chlazení
sice výrazn sníží spot ebu chladu pro klimatizaci objektu, ale spot eba el. energie ventilátor naroste
a výsledná spot eba celého objektu je vyšší než p i pouze strojním chlazení. Nebo strojní chlazení
pracuje v tšinou s chladicím faktorem v tším než jedna a úspora el. energie je nižší než snížení
spot eby chladu. Optimalizace systému musí být pom rn detailní vztažená na konkrétní objekt a
konkrétní klima a proto záv ry optimalizace nelze zobec ovat.
Význam optimalizace je patrný nap íklad z rozsáhlé studie zabývající se nízkoenergetickým chlazením
(Behne 1997). Na obrázku 5.5 naho e je patrné že pro Berlín (klima podobné Praze) a San Francisko
byla celková spot eba primární energie p i pouze no ním v trání mízn vyšší než pro referen ní VAV
systém. Pro Locarno byla nepatrn nižší. Jako optimální pro Berlín se ukázal systém kombinující
omezené no ní v trání se strojním chlazením b hem dne (obr. 5.5 dole).
Miloš Lain 2007
62
Nízkoenergetické chlazení budov -
Spot eba energie [kWh/m 2]
160
erpadla
140
120
100
Ventilátor
138,5
139,5
57,1
57,1
28
28,2
80
60
40
20
0
erpadla
160
Spot eba energie [kWh/m2]
V ž
140
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Topení
Chlad. jednotka
145,7
145,3
57,1
57,1
26,4
26,5
18,8
7
33,8
33,8
29
29,1
10,5
19,2
9,8
31,8
VAV
Berlín
NV
VAV
Locarno
NV
Ventilátor
Topení
V ž
Sv tla
Vybavení
105,1
107,1
57,1
57,1
23,2
23,3
5,1
5,1
12,7
5,8
21,2
VAV
San
Francisco
Chlad. jednotka
NV
Sv tla
Vybavení
VAV a no ní v trání (100% venkovní vzduch)
138,5
135,6
57,1
134,8
138,1
57,1
57,1
57,1
28,0
28,0
28,0
7
28,0
5,7
4,5
4,1
33,8
33,8
33,8
33,8
10,6
9,4
9,8
13,5
9,4
Ref.VAV
krok.1
krok.2
krok.3
Kone ný stav
134,3
120
100
57,1
80
60
40
20
0
28,0
4,4
33,8
Obr. 5.5: Porovnání celkové spot eby energie objektu p i nuceném no ním v trání bez chlazení a se
standardním klimatiza ním systémem VAV pro t i lokality (naho e) a optimalizace
provozu nuceného no ního v trání s chlazením b hem dne pro Berlín (dole) (Behne 1997)
Miloš Lain 2007
63
Nízkoenergetické chlazení budov -
5.1.1
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Klimatické podmínky pro no ní chlazení v eské republice
Základní podmínkou no ního chlazení je dostate n nízká teplota vzduchu v no ních hodinách. Na
grafech na obrázku 5.7 je znázorn n pr b h maximálních denních a minimálních no ních teplot
jednotlivých dní pro referen ní rok (TRY) a extrémní rok 2003. Z graf je patrné, že minimální no ní
teploty jsou v Praze b hem typického roku v tšinou nižší než 15 °C a b hem roku extrémního v tšinou
nižší než 18 °C. Rozdíl mezi denní a no ní teplotou b hem horkých dn je vyšší než 10 K. St ední
denní rozsah teplot (mean daily tempereture range), definovaný jako rozdíl pr m ru denních maxim a
pr m ru denních minim za nejteplejší m síc roku (IEA 1995) je pro referen ní rok 11,6 K a pro
extrémní rok 12,3 K. Na obrázku 5.6 je porovnána kumulativní etnost výskytu letních no ních (od
20:00 do 6:00) teplot vzduchu pro referen ní rok, extrémní rok a veškerá dostupná klimatická data.
Z tohoto porovnání vyplývá, že referen ní rok má mírn nižší teploty vzduchu v no ních hodinách
než veškerá klimatická data a noci extrémního roku 2003 byly výrazn teplejší.
N základ analýzy klimatických dat lze íci, že klima v eské republice (Praze) je velmi vhodné pro
no ní chlazení a to i v extrémních létech.
1985-1997+2003
Praha - 2003
TRY Praha
100%
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
5
10
15
Teplota vzduchu [°C]
20
25
30
M síc od 5 do 9 v etn . Den týdneod 1 do 7 v etn .
Hodina od 20 do 6 v etn .
Obr. 5.6: Kumulativní etnosti teplot vzduchu v no ních
hodinách
Miloš Lain 2007
64
Nízkoenergetické chlazení budov -
Den
25-IX.
11-IX.
Den
25-IX.
18-IX.
11-IX.
0
4-IX.
-10
28-VIII.
5
21-VIII.
-5
14-VIII.
10
7-VIII.
0
31-VII.
15
24-VII.
5
17-VII.
20
10-VII.
10
3-VII.
25
26-VI.
15
19-VI.
30
12-VI.
20
5-VI.
35
29-V.
25
22-V.
40
15-V.
30
8-V.
45
Rozdíl teplot vzduchu [K]
Kolísání
teplot
Rozdíl
max. a min. teploty za 24 hodin
Min
35
1-V.
Teplota vzduchu [°C]
Max
18-IX.
0
4-IX.
-10
28-VIII.
5
21-VIII.
-5
14-VIII.
10
7-VIII.
0
31-VII.
15
24-VII.
5
17-VII.
20
10-VII.
10
3-VII.
25
26-VI.
15
19-VI.
30
12-VI.
20
5-VI.
35
29-V.
25
22-V.
40
15-V.
30
8-V.
45
Rozdíl teplot vzduchu [K]
Kolísání
teplot
Rozdíl
max. a min. teploty za 24 hodin
Min
35
1-V.
Teplota vzduchu [°C]
Max
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obr. 5.7: Pr b h maximálních a minimálních teplot vzduchu za 24 h a pr b h jejich rozdílu pro
referen ní rok (naho e) a extrémní rok 2003 (dole)
Miloš Lain 2007
65
Nízkoenergetické chlazení budov -
5.1.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
No ní chlazení nucené – p edb žný návrh
P i nuceném no ním v trání je vzduch v noci p ivád n do budovy ventilátory nebo klimatiza ní
jednotkou. Vzduch konvekcí odvádí teplo naakumulované ve stavebních konstrukcích budovy (tepelná
hmota). Pro nucené no ní v trání administrativních budov se v tšinou používá centrální vzduchový
systém, ale je možné ho kombinovat se speciálním systémem ur eným pouze pro no ní v trání.
Nucené no ní v trání lze používat ve v tšin nových nebo rekonstruovaných budov s periodickou
tepelnou zát ží a to jak samostatn tak v kombinaci s jiným chlazením.
Po izovací náklady a náklady na údržbu jsou u no ního chlazení malé. Provozní náklady jsou závislé
na použitém systému. P i celkových tlakových ztrátách do 1000 Pa by m ly být provozní náklady
nízké, p i ztrátách nad 1500 Pa vysoké (Barnard 2001).
No ní chlazení je vhodné pro budovy s periodickými tepelnými zisky v mírném klimatu.
No ní chlazení se nehodí pro budovy s vysokými tepelnými zisky a prostory s vysokými nároky na
p esné dodržení teploty, i vlhkosti.
P i návrhu nuceného no ního v trání je t eba dát d raz na minimalizaci tlakových ztrát
vzduchotechnického systému a zabránit podchlazování. Podmínkou pro funkci systému je dostate ná
tepelná hmota budovy a dostatek místa pro vzduchotechnický systém.
No ní chlazení s vysokou tepelnou hmotou budovy dokáže odvézt 20 až 30 W/m2 periodické tepelné
zát že a snížit teplotu v prostoru o 2 až 3 K (Barnard 2001).
5.1.3
No ní chlazení p irozené – p edb žný návrh
V trání v no ních hodinách je zajišt no p irozen otev enými okny a v tracími otvory. Otevírání oken
m že být jak manuální tak automatické.
Podobn jako nucené no ní v trání lze p irozené no ní v trání používat ve v tšin nových nebo
rekonstruovaných budov s periodickou tepelnou zát ží a dostate nou plochou v tracích otvor . Nelze
ho používat tam, kde je vzduch v okolí budovy p íliš zne išt n nebo tam, kde není možné otevírání
oken z bezpe nostních d vod .
Po izovací náklady jsou u p irozeného no ního v trání s manuální obsluhou velmi malé i u systém se
servopohony jsou náklady stále nižší než pro standardní chlazení. Podobn provozní náklady na
údržbu nar stají pouze mírn o náklady na úklid (Barnard 2001).
P irozené no ní chlazení je vhodné pro budovy s periodickými tepelnými zisky v mírném klimatu.
P irozené no ní chlazení se nehodí pro budovy s vysokými tepelnými zisky a prostory s vysokými
nároky na p esné dodržení teploty, i vlhkosti. Není též vhodné pro oblasti s vysokým zne išt ním
vzduchu, hlu né oblasti a budovy s velkou hloubkou (není-li možnost p irozené v trání ešit jinak než
otvory na fasád ).
P i návrhu p irozeného no ního v trání je t eba dát d raz na možnost maximálního využití energie
v tru a rozdílu hustot pro v trání budovy a zabránit podchlazování. Podmínkou pro funkci systému je
dostate ná tepelná hmota budovy a otevíratelné v trací otvory ve fasád . P irození no ní chlazení
Miloš Lain 2007
66
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
s vysokou tepelnou hmotou budovy dokáže stejn jako nucené odvézt 20 až 30 W/m2 periodické
tepelné zát že a snížit teplotu v prostoru o 2 až 3 K (Barnard 2001).
5.1.4
Za ízení pro no ní chlazení
Pro nucené no ní chlazení se používají b žné prvky vzduchotechniky, ketré jsou na trhu dostupné
v dostate né nabídce. P i vyšších pr tocích vzduchu by m ly být voleny ventilátory s maximální
ú inností a to jak p i jmenovitých pr tocích, tak p i provozu se sníženým pr tokem vzduchu. Proto je
vhodná i regulace nesnižující výrazn ú innost, nap . regulace otá ek.
Pro p irozené v trání administrativních budov je naopak na trhu nabídka velmi malá. Servopohony pro
ovládání oken existují, ale díky malé poptávce jsou jejich ceny pom rn vysoké. Nízkoodporové
m ížky v tších pr ez s nízkými tlakovými ztrátami a tlumením p eslech
pro propojení místností
s chodbami a atrii na trhu chybí. Stejn jako typová ešení pro p irozené v trání administrativních
budov.
5.1.5
Stávající realizace
V eské republice se ve stávajících administrativních budovách bez klimatizace v omezené mí e
uplat uje p irozené no ní chlazení a to v tšinou pouze okny a p evládá pouze denní v trání. N které
stávající vzduchové systémy využívají no ního chlazení k p edchlazení budovy. Nové administrativní
budovy mají v tšinou strojní chlazení.
Široké je použití no ního chlazení v pr myslu, u pr myslových hal bez vyšších nárok na p esné
dodržení teploty bylo no ní a denní v trání bez strojního chlazení standardem. No ní chlazení se
v široké mí e uplat uje u obytných dom , které mají díky výrazn nižší tepelné zát ži a p ítomnosti
obyvatel v no ních hodinách pro no ní chlazení vhodné podmínky.
5.1.6
Detailní návrh no ního v trání
P i detailním návrhu je t eba zohlednit typické pr b hy teplot vzduchu v letních m sících a akumulaci
tepla konstrukcí, což je bez po íta ové simulace velmi obtížné. Ú inek no ního v trání nezáleží pouze
na pr m rných hodnotách a etnosti teplot, ale p edevším na rozložení teplot b hem 24 hodin, proto
nelze používat zjednodušené výpo ty vycházející z extrémní zát že.
Pro základní návrh no ního chlazení lze použít zjednodušené návrhové procedury vycházející
z hodinových výpo t tepelných zát ží, bilancí v tracího vzduchu a zjednodušeného zahrnutí tepelné
hmoty budovy a to vše b hem 24 hodinového cyklu referen ního dne.
Byly posuzovány 3 zjednodušené modely detailn popsané v literatu e (Pfaferott 2004, 2005) (Hassid
2000) a (Chyský 1995). Model podle (Pfaferott 2004, 2005) se ukázal p i ešení v tabulkovém
procesoru Excel jako nestabilní a nebylo možné ho dále používat (Kotan 2007). Zjednodušené
návrhové modely podle (Hassid 2000) a (Chyský 1995) byly kalibrovány (korekce tepelných zisk a
tepelné hmoty budovy) a porovnány s výsledky detailní po íta ové simulace v programu ESP-r
s p ekvapiv dobrou shodou (Obr 5.8).
Miloš Lain 2007
67
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pro návrh pr tok vzduchu nebo posouzení teplot vzduchu v prostorech s no ním v tráním lze tedy
dob e použít zjednodušených simula ních program , ale parametry volené v t chto programech musí
být vhodn zvoleny a to bu na základ m ení, zkušeností nebo detailní po íta ové simulace.
Pro optimalizaci a detailní návrh no ního v trání jsou potom využívány p edevším detailní simula ní
programy pro energetické bilance budov, systém
v trání a ešení proud ní. Detailní návrh a
optimalizace systém no ního v trání jsou prezentovány kapitolách 8 a 9.
[°C]
Porovnání ESP-r X zkalibrovaný Hassid
37,0
36,0
35,0
34,0
33,0
32,0
31,0
30,0
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,0
18,0
17,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
as [h]
ESP-r noc 2x;den 2,24x
ESP-r noc 4x;den 2,24x
ESP-r noc 6x;den 2,24x
Hassid noc 2x;den 2,24x
Hassid noc 4x;den 2,24x
Hassid noc 6x;den 2,24x
venkovní teplota
[°C]
Porovnání ESP-r X zkalibrovaný Chysky
37,0
36,0
35,0
34,0
33,0
32,0
31,0
30,0
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,0
18,0
17,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
as [h]
ESP-r noc 2x;den 2,24x
ESP-r noc 4x;den 2,24x
ESP-r noc 6x;den 2,24x
Chysky noc 2x;den 2,24x
Chysky noc 4x;den 2,24x
Chysky noc 6x;den 2,24x
venkovní teplota
Obr. 5.8: Pr b h teplot vzduchu pro t i r zné intenzity no ního v trání – porovnání modelu podle
Hasida s ESP-r (naho e) a modelu podle Chyského (dole)
Miloš Lain 2007
68
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
5.2 Adiabatické chlazení
V angli tin se pro tento princip chlazení používá název „Evaporative cooling“ což v doslovném
p ekladu „vypa ovací chlazení“ lépe vystihuje podstatu tohoto jevu. Principem adiabatického
(odpa ovacího) chlazení je p em na citelného tepla na teplo vázané p i odpa ování vody. Je-li do
vzduchu rozprašována voda, odpa uje se a teplota vzduchu klesá a jeho vlhkost roste. V idealizovaném
p ípad se jedná o d j adiabatický, dochází pouze k p em n energie uvnit systému. V reálných
p ípadech je d j ovlivn n teplotou dodávané vody a to m že mít zna ný vliv obzvlášt , když nedojde
k úplnému vypa ení vody a vzduch je sprchován vodou o jiné teplot .
Princip adiabatického chlazení není žádnou novinkou. Adiabatické chlazení vodní hladinou,
sprchováním vzduchu
i rozprašováním vody bylo v ad
systém
využíváno p ed rozší ením
strojního chlazení.
Existují t i základní metody adiabatického chlazení; je to p ímé adiabatické chlazení, nep ímé
adiabatické chlazení a adiabatické chlazení s využitím sorp ních vým ník . P ímé adiabatické
chlazení spo ívá v p ímém ochlazování p ivád ného vzduchu odpa ováním vody.
P i nep ímém
adiabatickém chlazení je adiabaticky chlazen sekundární vzduch, nebo je adiabaticky vyráb na
chladicí voda. Sekundární vzduch (odvád ný, nebo venkovní) pak odebírá citelné teplo p ivád nému
vzduchu pomocí vým ník
tepla vzduch-vzduch (nej ast ji deskových). P i adiabatické p íprav
chladicí vody se pak chladná voda používá k chlazení vzduchu, p ípadn pro sálavé chlazení.
Posouzením možností adiabatického chlazení se v nuje ada jednotlivých
lánk
i souhrnných
publikací. Behne ve své studii (1997) používal kombinaci p ímého a nep ímého vzduchového
adiabatického chlazení spolu se strojním chlazením pro Berlín (obr. 5.9), vyhodnotil snížení primární
erpadla
V ž
Vybavení
18,8
29,1
26,4
105,3
57,1
98,9
57,1
12,7
29,1
10,5
11,2
9,9
10,3
23,2
5,8
5,1
12,7
23,8
38,5
23,2
4,9
13,5
19,4
16,7
121,9
57,1
23,8
4,9
17,9
17,3
EVAP
33,4
26,4
EVAP
0
33,8
28
4,6
VAV
Locarno
20
28
7
57,1
57,1
VAV
Red Bluff
57,1
57,1
139,0
EVAP
40
Sv tla
EVAP
57,1
135,7
80
60
Chlad. jednotka
VAV
San
Francisco
100
138,5
145,5
VAV
Berlín
Spot eba energie [kWh/m 2]
120
Topení
162,4
160
140
Ventilátor
Obr. 5.9: Porovnání celkové spot eby primární energie referen ní budovy pro t i lokality p i použití
adiabatického chlazení (Behne 1997)
Miloš Lain 2007
69
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
spot eby energie o 35 % , ale díky vyššímu odvlh ení p i následném strojním chlazení, se zredukuje
snížení spot eby primární energie na pouhých 5 %. Adiabatické chlazení ale p isp je ke snížení
pot ebného instalovaného výkonu strojního chlazení o 40 % a sníží se špi kový el. odb r o 15 %.
Costelloe (2003) se zabýval nep ímým adiabatickým chlazením (výrobou chladné vody v chladicí
v ži) a posuzoval možnosti jeho použití pro chlazení pro 20 evropských lokalit. Jako krajní meze
zvolil Dublin (nejvyšší potenciál) a Miláno (nejnižší). D ležitým parametrem je „teplotní diference
sekundárního okruhu“ SAT (Secondray Aproach Temperature) a teplotní diference primárného okruhu
PAT. Tyto hodnoty definují rozdíl teploty adiabaticky získané chladicí vody oproti teplot mokrého
teplom ru. Tento parametr je dán konstrukcí a provozem zdroje chladu, a teplot blízkých teplot
mokrého teplom ru lze dosáhnout pouze p i nízkém chladicím faktoru (vysoká spot eb el. energie
ventilátor a erpadel). Tato studie ukazuje je velmi vysoký potenciál pro používání adiabatické
p ípravy chladné vody v Evrop . Celoro n je možné adiabatickým chlazením získat v Dublinu
teplotu 20°C a v Milánu 26°C (Obr. 5.10).
Ro ní použitelnost [%]
Milán PAT 1,5 K
Milán SAT 3 K
Dublin PAT 1,5 K
Dublin SAT 3 K
Teplota chladicí vody [°C]
Obr.5.10: Celková dostupnost teplot chladicí vody pro Milán a Dublin (Costelloe 2003)
5.2.1
Analýza klimatu
Pro posouzení možností adiabatického chlazení je rozhodující vlhkost vzduchu. Potenciál
adiabatického chlazení je dán rozdílem teploty vzduchu a mezní teploty adiabatického ochlazování.
Mezní teplotu adiabatického ochlazování lze prohlásit za shodnou s teplotou mokrého teplom ru.
Pr b h teploty mokrého teplom ru, p ípadn rozdílu teploty vzduchu a teploty mokrého teplom ru
v letním období referen ního roku prezentuje jako rozhodující parametr pro posouzení vhodnosti
adiabatického chlazení ada zahrani ních studií. Rozložení teploty mokrého teplom ru pro léto
pražského TRY a extrémního roku 2003 je znázorn no na obrázku 5.11. Teplota mokrého teplom ru
dosažená po 99 % hodin roku je v Praze pro referen ní rok 19 °C pro extrémní rok 20°C.
Miloš Lain 2007
70
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Praha 2003 výb r
etnost
100.0%
90.0%
90.0%
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
Celkový po et hodin s nižší hodnotou [%]
TRY
Praha -Hannevold výb r
etnost
100.0%
80.0%
70.0%
60.0%
50.0%
40.0%
30.0%
20.0%
10.0%
80.0%
70.0%
60.0%
50.0%
40.0%
30.0%
20.0%
10.0%
0.0%
0.0%
0
5
10
15
Teplota mokrého teplomeru [°C]
20
25
M síc od 5 do 9 v etn . Den týdneod 1 do
7 v etn . Hodina od 0 do 24 v etn .
0
5
10
15
Teplota mokrého teplomeru [°C]
20
25
M síc od 5 do 9 v etn . Den týdneod 1 do
7 v etn . Hodina od 7 do 19 v etn .
Obr. 5.11: Kumulativní etnosti teplot mokrého teplom ru v letním období pro TRY (vlevo) a rok 2003
(vpravo)
V grafu na obrázku 5.12 je pak znázorn na závislost teploty mokrého teplom ru na teplot vzduchu,
každá hodina je prezentována jedním bodem. Z graf je patrné, že do teploty cca 18 °C je pom rn
Obr. 5.12: Závislost teploty mokrého teplom ru na teplot vzduchu pro letní období TRY Praha
(vlevo) a rok 2003 (vpravo)
asto teplota mokrého teplom ru shodná s teplotou vzduchu, to odpovídá deštivému po así. Pro vyšší
teploty už jsou teploty mokrého teplom ru výrazn nižší. Maximální teplota mokrého teplom ru je
23 °C (resp 25 °C pro extrémní rok).
Miloš Lain 2007
71
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pro p ímé adiabatické chlazení lze provést jednoduchou analýzu vycházející z teorie tepelné pohody a
úpravy vzduchu p i adiabatickém vlh ení. Pro t i zvolené typické letní p ípady je zpracováno p ímé
adiabatické chlazení z teploty 32 °C, 29 °C a 25 °C a relativní vlhkosti 40 %.
PMV
Adiabatické chlazení 25°C
Adiabatické chlazení 29 °C
Adiabatické chlazení 32°C
3
2.75
2.5
2.25
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
30
40
50
60
70
80
90
100
Relativní vlhkost vzduchu [%]
Obr. 5.13:. Závislost ukazatele PMV na relativní vlhkosti vzduchu p i adiabatickém chlazení
Z h-x diagramu vlhkého vzduchu jsou stanoveny stavy vzduchu pro adiabatické ochlazování. Pro takto
stanovené body je vyhodnocen ukazatel tepelné pohody PMV (viz kap. 3.) pro lov ka s oble ením
0,7 clo, výdejem 1,2 met, rychlost proud ní 0,1 m/s a p i st ední radia ní teplot shodné s teplotou
vzduchu. Výsledné závislosti PMV na relativní vlhkosti p i adiabatickém chlazení (viz obr. 5.13)
ukazují, že p ímé adiabatické chlazení p ispívá k nár stu tepelné pohody posuzované st edním
tepelným pocitem PMV. Pokles teploty zp sobený adiabatickým chlazením má na PMV výrazn v tší
vliv nežli nár st relativní vlhkosti.
P ímé
adiabatické
chlazení
se
hodí
p edevším pro suché, horké i teplé klima
(n kdy se používá i název pouštní
chlazení). Nelze ho však použít pro
oblasti
s vlhkým
klimatem.
St edoevropské klima je hodnoceno jako
teplé (výpo tová teplota 32 °C) a áste n
vlhké (semi humid) (Zimmermann 1995).
Obr.5.14: Limity pro p ímé adiabatické chlazení
Miloš Lain 2007
P i hodnocení energetické náro nosti
chlazení se
asto používají denostupn
72
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
(hodinostupn ), ty však reprezentují pouze citelnou tepelnou bilanci prostoru. Pro systémy
s adiabatickým chlazením je t eba respektovat i teplo vázané. Zejména z tohoto d vodu byly
definovány entalpihodiny (Zmmermann 1995). Entalpihodiny (EH) jsou definovány jako suma hodin a
rozdíl entalpií v dob , kdy entalpie
venkovního vzduchu p ekro í referen ní
hodnotu.
Tabulka 5.1 dokumentuje
porovnání hodinostup
pro
a entalpihodin
eskou Republiku a n které další
oblasti (m sta). Výpo et byl proveden na
základ
dvou
referen ních rok
pro
oblast Prahy (TRY1 a TRY2), a to pro
dv
referen ní teploty (18 a 25 °C) a
referen ní vlhkost 40 %.
Budeme-li
kancelá
p edpokládat
pro
b žnou
maximální p ípustnou teplotu
26 °C a relativní vlhkost 60 % a
zanedbáme-li
konstatovat,
latentní
že
p ímé
zisky,
lze
Tabulka 5.1: Hodinostupn a entalpihodiny pro chlazení
M sto
CDH25
CDH18
EH25/40
(kJ/kg)
EH18/40
(kJ/kg)
Praha TRY1
361
3 047
4 581
25 198
Praha TRY2
483
3 483
5 300
28 689
Dráž any
527
3 040
5 154
28 068
Stockholm
150
1 350
1 000
16 425
Zurich
426
1 658
4 757
16 380
New York
2 570
25 698
15 942
68 783
Toronto
837
12 294
7 643
40 831
Helsinky
26
368
1 524
11 490
Pa íž
234
3 091
3 447
26 146
Lisabon
1 824
11 686
11 064
67 077
Mineapolis
2 540
21 341
13 106
56 359
adiabatické
chlazení nelze použít, je-li entalpie
venkovního vzduchu vyšší než 59 kJ/kg, nebo m rná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg (viz. Obr.5.14).
Chceme-li použít vzduch pro odvod tepelné zát že, je nezbytné, aby jeho teploty byly nižší než
požadovaná teplota. Za p edpokladu teplotního rozdílu 4K (tj. teplota p ivád ného vzduchu 22 °C) je
limitní entalpie 55 kJ/kg.
Budeme-li uvažovat letní adaptaci organismu (od v 0,4 clo, korekce e=0,8) je možné zvolit jako
požadované parametry prost edí 27 °C a 70 % relativní vlhkosti (PMV 0,65). Tomu odpovídá limitní
m rná vlhkost 15,9 g/kg a entalpie 68 kJ/kg, resp. 64 kJ/kg . Po ty hodin, kdy jsou p ekro eny tyto
hodnoty dokumentuje tabulka 5.2.
.Tabulka 5.2: Po ty hodin, kdy nelze použít p ímé adiabatické chlazení
Po et hodin kdy je:
TRY
2003
entalpie vyšší než 59 kJ/kg nebo m rná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg
36
95
entalpie vyšší než 55 kJ/kg nebo m rná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg
92
269
entalpie vyšší než 68 kJ/kg nebo m rná vlhkost vyšší než 15.9 g/kg
0
22
entalpie vyšší než 64 kJ/kg nebo m rná vlhkost vyšší než 15,9 g/kg
4
69
Miloš Lain 2007
73
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
V p ípad p ímého adiabatického chlazení je obtížné použít adaptivní p ístup k tepelné pohod , nebo
model adaptivní tepelné pohody nezahrnuje vliv vlhkosti.
Z analýzy klimatu lze tedy konstatovat, že p ímé adiabatické chlazení umož uje výrazn snížit
tepelnou zát ž prostoru, a v b žném roce je schopné i zajistit odvod tepelné zát že a podmínky
adaptivního tepelného komfortu.
5.2.2
P edb žný návrh adiabatického chlazení
Branard (2001) shrnul zásady pro p edb žný návrh adiabatického chlazení. Adiabatické chlazení se
hodí jak pro nové, tak pro rekonstruované budovy s malými tepelnými zisky. Hlavní výhodou
adiabatického chlazení je snížení náklad na chladicí energii, pom rn nízké po izovací náklady, a
díky vysokým pr tok m vzduchu je p i adiabatickém chlazení zajišt no i kvalitní v trání. Provozní
náklady jsou u adiabatického chlazení podobné jako u standardního systému klimatizace. Hodí
se p edevším pro suché klima. Nehodí se tam, kde je t eba p esného dodržení teploty a vlhkosti
v prostoru. Nevýhodou jsou ur itá rizika množení bakterií v pra kách vzduchu (p edevším legionela).
P i návrhu systému je t eba po ítat s vyššími nároky na rozvody (systém pracuje s vyššími pr toky
vzduchu a nižšími teplotními rozdíly). Je t eba pe liv volit zvlh ovací za ízení. Výhodou je možnost
použití pra ek a deskových vým ník v zimním provozu.
P ímé adiabatické chlazení dokáže ochladit p ivád ný vzduch na teploty blížící se teplot mokrého
teplom ru (ú innosti pra ek 80 %) a spot eba vody bývá p ibližn 1,3 l/MJ spot eby chladu.
Nep ímé adiabatické chlazení m že ochladit p ivád ný vzduchu i pod teploty mokrého teplom ru (až
120 %) v p ípad použití zkráp ných vým ník . Spot eba vody je p ibližn 1,5 l/MJ chladu.
Adiabatické chlazení lze kombinovat s ostatními metodami nízkoenergetického chlazení nebo i se
strojním chlazením. P i kombinaci se strojním chlazením se však m že zna ná ást chladicího výkonu
spot ebovat odvod vázaného tepla p i kondenzaci na vým níku.
Výroba chladicí vody nep ímým adiabatickým chlazením, je vhodná p edevším pro systémy pracující
s nízkopotenciálním chladem (stropní chlazení, vyt s ovací v trání, cirkula ní i induk ní jednotky
bez kondenzace). Chladicí faktor (pom r získaného chladicího výkonu ku el. p íkonu zdroje) je u
adiabatické p ípravy chladicí vody vysoký, dosahuje hodnot 5 až 20 (Costelloe 2003) a výrazn roste s
teplotou chladicí vody.
5.2.3
Za ízení pro adiabatické chlazení
Pro p ímé adiabatické chlazení lze používat veškeré typy pra ek vzduchu s vyšší ú inností. Pro
omezení rizika množení mikrob jsou vhodné pra ky bez cirkula ní vody. Pro p ímé adiabatické
chlazení v potrubí nebo prostoru, lze používat ultrazvukových i mechanických zvlh ova , p ípadn
pneumatických trysek. Tato za ízení se uplat ují spíš v pr myslových a speciálních provozech.
Klimatiza ní jednotku pro nep ímé adiabatické chlazení vzduchové je možné sestavit z b žných prvk
(pra ka, vým níky ZZT). Vhodn jší je však použití speciálních jednotek pro nep ímé adiabatické
Miloš Lain 2007
74
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obr. 5.15: Schéma klimatiza ní jednotky s nep ímým adiabatickým chlazením, dvojitým
deskovým vým níkem tepla (jeden je zkráp ný) a dopl kovým strojním chlazením
chlazení konstruovaných, které v tšinou aplikují i zkráp né deskové vým níky a dosahují výrazn
lepších parametr . Na eském trhu dodává takové jednotky nap . firma Menerga (obr 5.15).
Podobn za ízení pro adiabatickou výrobu chladicí vody jsou na eském i sv tovém trhu dostupná. A
existuje i plná podpora výrobc pro projektování t chto za ízení.
5.2.4
Stávající realizace
Adiabatické chlazení se v naší republice používá p edevším v pr myslu a zem d lských objektech,
p edevším tam, kde jsou technologické požadavky na vyšší relativní vlhkosti vzduchu. Zajímavé je
nap íklad použití p ímého adiabatického chlazení v areálu
eské televize na Kav ích horách, kde je
p ímé adiabatické chlazení spolu s venkovním vzduchem jediným zdrojem chladu p i teplotách
venkovního vzduchu mezi 10 °C a 15 °C. Tím se ušet í 47 % hodin provozu a p ibližn 100 start
kompresor zdroje chladu (3x2 MW) ro n (Lain 2003). V b žných administrativních budovách je
zatím uplatn ní p ímého adiabatického chlazení minimální, obecn je trend i minimalizovat osazování
pra ek vzduchu pro vlh ení v zimních m sících. V n kterých budovách je osazováno nep ímé
adiabatické chlazení, p ípadn
adiabatické zdroje chladné vody (Obrazárna pražského hradu,
Metalimex Praha).
5.2.5
Detailní návrh adiabatického chlazení
P i detailním návrhu adiabatického chlazení je vhodné vycházet z detailního výpo tu energetických a
vlhkostních bilancí budovy získaných po íta ovou simulací.
Detailní modelování vlastního klimatiza ního systému a komponent se uplatní p edevším p i
konstrukci za ízení pro nep ímé adiabatické chlazení. Metodiku pro ešení detailních simulací systému
lze nalézt v literatu e (Roel 2000, Kraj í 2003, Duška 2002).
Miloš Lain 2007
75
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
5.3 Sálavé chlazení s akumula ní hmotou
Jak napovídá již název, sálavé chlazení s akumula ní hmotou kombinuje princip sálavého chlazení
s akumulací tepla do stavební konstrukce. V angli tin se pro tyto systémy používá pojem „slab
cooling“, což v p ekladu znamená chlazení stavební deskou. Velmi rozší en je i pojem aktivace
betonu, který vychází z nejb žn jšího systému chlazení železobetonových konstrukcí objektu.
Sálavé chlazení dociluje tepelné pohody ve vnit ním prost edí sáláním okolních chladných ploch na
lov ka. Krom toho chlazené stavební konstrukce odvád jí p ímo sálavou složku tepelných zisk a
vzhledem k tomu že je povrchová teplota konstrukce nižší nežli teplota vzduchu odvád jí teplo i
konvekcí. V místnostech bez chlazených vnit ních povrch p sobí sálavá ást tepelných zisk oh ev
st n podlah a strop a jejich povrchové teploty jsou v tšinou vyšší nežli teploty vzduchu a sálání
t chto ploch je t eba kompenzovat nižší teplotou vzduchu.
Obr. 5.16: Princip funkce sálavého chlazení s akumula ní hmotou (Oleson 2003)
U systém s akumula ní hmotou je akumula ní vrstva umíst na mezi aktivní chlazenou vrstvou a
vnit ním povrchem. D sledkem této akumula ní hmoty je asový posun zisk a vyrovnání tepelných
zát ží b hem dne (obr. 5.16). Chladicí vrstvou m že být jak sí vodních trubek protékaných chladicí
vodou - vodní systém, tak sí zabudovaných vzduchovod – vzduchový systém. Sálavé chlazení
s akumula ní hmotou se hodí pouze pro nové budovy, nebo sou ástí systému je stavební konstrukce .
Výjimkou m že být použití chladicího režimu u stávající budovy se stropním sálavým vytáp ním
(Lain 2006).
Barrnard (2001) hodnotí po izovací náklady pro systém sálavého chlazení s akumula ní hmotou jako
nízké (nižší než pro standardní systém klimatizace), ale pro konkrétní stavbu Národní technické
knihovny (kapitola 11) byla nižší cena klimatiza ního systému s FC jednotkami. Provozní náklad i
náklady na údržbu by m ly být i u sálavých systém nižší.
Sálavé chlazení s akumula ní hmotou je vhodné pro budovy s periodickými tepelnými zisky. Nehodí
se pro budovy s vysokými tepelnými zisky a prostory s vysokými nároky na p esné dodržení teploty,
Miloš Lain 2007
76
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
i vlhkosti. Systém lze kombinovat s ostaními nízkoenergetickým metodami chlazení i s chlazením
strojním.
5.3.1
Vodní systém – p edb žný návrh
Jako chladicí látka je ve používána voda o teplotách
Podlaha
okolo 20 °C. K chlazení se nejlépe hodí strop, m že
však být využito i st n a p ípadn i podlahy. Pro sálavé
Chladicí voda
systémy s akumula ní hmotou je do akumula ní
stavební
konstrukce
zabudována sí
(nej ast ji
železobetonu)
potrubních rozvod
chladicí vody
Strop
pr m ru 12 až 25 mm (obr 5.17).
Existují i systémy, kde je používáno trubi ek pr m ru
Obr.5.17: ez stavební deskou (chladí
strop i podlaha)
p ibližn 2 mm (kapiláry). Kapiláry se osazují pod
pom rn tenkou vrstvu a proto je u tohoto systému
akumula ní vrstva výrazn menší. V p ípad , že jsou kapilára p ekryty pouze omítkovou a pod
kapilárami je umíst na tepelná izolace jedná se již o systém bez výrazné akumula ní hmoty.
Vodní sálavý systém umož uje, díky požadavk m na vysoké teploty chladicí vody, využít
nízkopotenciálních zdroj chladu jako je podzemní voda nebo adiabatické chlazení. Zdroje chladu
mají mino špi ky díky nižší teplot venkovního vzduchu lepší chladicí faktory i cena el. energie m že
být nižší.
Výhodou systému je možnost jeho využití v zim
pro vytáp ní. P i návrhu systému je t eba
minimalizovat riziko kondenzace a doporu uje se ponechat p ístupné spoje a p ipojení zabudovaných
potrubí.
P i p edb žném návrhu lze uvažovat chladicí výkon 30 až 40 W/m2 u chladicího stropu a 20 až
30 W/m2 u podlahy (Bernard 2001).
5.3.2
Vzduchový systém – p edb žný návrh
Chladicí látkou je vzduch vedený sítí vzduchovod v akumula ní vrstv . Tento vzduch m že sloužit
pouze k odvodu tepla ze stavení konstrukce, tzv. uzav ený systém. Nebo m že být vzduch po
pr chodu konstrukcí p iveden do prostoru jako vzduch v trací, tzv. systém otev ený.
Je-li vzduch používán i k v trání je t eba zabránit jeho zne išt ní pr chodem stavební konstrukcí. Lze
však využít akumulace tepla do stavební konstrukce i pro tepelnou úpravu v tracího vzduchu a tak
zvýšit využití akumula ního potenciálu stavebních konstrukcí. Naopak pro systémy uzav ené lze
využívat vzduch, který není díky zne išt ní vhodný jako vzduch v trací, nap íklad vzduch ze
rozsáhlých podzemních prostor.
Nej ast jší se však používá jako zdroj chladu venkovní tepeln
neupravený vzduch v no ních
hodinách.
Miloš Lain 2007
77
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Stejn jako u v tšiny nízkoenergetických systém
je kritickým problémem spot eba el. energie
ventilátor využívaných pro vzduch procházející chladicím stropem. P i tlakových ztrátách vyšších
nežli 1000 Pa, je obvykle spot eba el. energie ventilátor vyšší než p i srovnatelném strojním chlazení.
P i návrhu systému je t eba zabránit podchlazení objektu v ranních hodinách a vzduchové kanály by
m ly být istitelné.
Vzduchové systémy umož ují odvod max. 40 W/m2 p i pouze stropním chlazení a max. 60 W/m2 p i
oboustranném chlazení (podlaha+strop) (Bernard 2001).
5.3.3
Regulace
Regulace sálavých chladicích systém s akumula ní hmotou je výrazn obtížn jší než u systém bez
akumula ní hmoty. Systém má velké zpožd ní a neumož uje pružn reagovat na požadavky. Proto se
doporu uje regulovat teplotu chladicí vody ekvitermní regulací. Systém také neumož uje okamžitou
reakci p i riziku kondenzace, proto se neosazuje idly kondenzace. Teploty povrchu musí být vždy
bezpe n vyšší nežli teplota rosného bodu, v našich klimatických podmínkách se volí obvykle teploty
okolo 20°C a nikdy ne nižší než 17°C.
700
case
case
case
case
case
600
500
18
19
20
21
24
400
300
200
100
0
< 20
<21
<22
<23
<24
<25
<26
<27
<28
<29
<30
Obr. 5.18: Porovnání etností vnit ních teplot vzduchu podle r zných regula ních strategií
(Oleson 2003)
Oleson doporu uje ve své studii (Oleson 2005) použití regulace teploty chladicí vody podle aktuální
venkovní teploty (ekviterm) bez vazby na teplotu vnit ního vzduchu. Také použití p edpov di po así
nebo pr m rných teploty se ukázalo jako zbyte né (obr. 5.18). Další energii lze ušet it p i zvýšení
pásma proporcionality regulátoru vnit ní teploty na 2 K.
Sálavý systém s akumula ní hmotou má význam tehdy, když je akumula ní hmota využita. Chladicí
výkon zdroje chladu odvád jící tepelnou zát ž m že být potom po ur itou dobu omezen. To vede
k výraznému snížení pot ebného výkonu zdroje chladu (kapacita zdroje odpovídá pr m rné hodnot
zát že, ne špi kám). Extrémem je pak pouze no ní provoz zdroje chladu pro stropní chlazení, p i
Miloš Lain 2007
78
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
tomto režimu je však výkon chladicího stropu nižší, a je t eba p ipustit v tší kolísání teplot v prostoru.
Režim s delšími úseky bez aktivního chlazení je vhodné ov it detailním výpo tem.
5.3.4
Za ízení pro sálavé systémy s akumula ní hmotou a jejich uplatn ní
V eské republice jsou na trhu dostupné systémy pro vodní sálavé systémy s akumula ní hmotou
(aktivace betonu), existuje i plná podpora výrobc t chto systém v etn detailních podklad pro
projektování (Velta ..). Tyto systémy pozvolna nacházejí své uplatn ní pro objekty s nižšími tepelnými
zisky. Systémy pro vzduchové sálavé chlazení nejsou zatím v naší republice standardn nabízeny a
s jejich realizací jsem se nesetkal.
5.3.5
Detailní návrh
Sálavé vodní chlazení s akumula ní hmotou není zdaleka tolik závislé na klimatických podmínkách a
dynamickém chování budovy jako ostatní systémy nízkoenergetického chlazení. Proto lze i detailní
návrh tohoto systému p i b žném provozování provést na základ podklad výrobc a výpo tu tepelné
zát že podle b žných projek ních standard .
Jiná je situace v p ípad provozu vodního systému v áste n pasivním módu s delším provozem bez
zdroje chladu, p i optimalizaci teplot a regulace a v p ípadn
vzduchového sálavého sytému
s akumula ní hmotou. V t chto p ípadech je vhodné provést detailní ešení energetických bilancí
prostoru a vedení tepla v chlazené a akumula ní st n po íta ovou simulací.
Pro dimenzování a optimalizaci provozu celého systému je v tšinou dosta ující po íta ová simulace
vycházející z jednorozm rného vedení tepla ve st n (ESP-r a pod.). Pro detailní ešení a optimalizaci
konstrukcí stropu se zabudovanou potrubní sítí je t eba použít 2d p ípadn 3d model vedení tepla.
Miloš Lain 2007
79
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
5.4 Využití chladu zemského polomasivu
Základní metody využívající chladu zem pro chlazení budov jsou: vým níky zem vzduch; vým níky
zem voda, využití spodní vody; využití vody ek a jezer.
5.4.1
Vzduchové zemní vým níky
Vzduchový zemní vým ník tepla (ZVT) je potrubí uložené v ur ité hloubce pod povrchem zem , p es
které je do budovy p ivád n venkovní vzduch. Díky tomu, že je teplota zeminy v hloubce pom rn
stabilní, je v let výrazn nižší nežli teplota venkovního vzduchu a vzduch je ochlazován (Kopecký
2007). Tento d j je pom rn jednoduchý, obtížn jší je již správné dimenzování takového vým níku.
Existují dva základní režimy provozu vým níku (Hollmuller 2005, Kopecký 2008) a to režim tlumení
amplitudy denního kmitu a režim tlumení amplitudy ro ního kmitu. Hodnoty teplosm nné plochy
vým níku jsou uvedeny v tabulce 5.3.
Tab. 5.3: Zásady návrhu dimenzí ZVT dle teplosm nné plochy p i pr toku vzduchu (Kopecký 2008)
Rychlost proud ní
ZVT dimenzován pro:
va [m/s]
tlumení amplitudy denního kmitu tlumení amplitudy ro ního kmitu
1,0
1m2 pro 10 m3/h
1m2 pro 5 m3/h
2,0
1m2 pro 15 m3/h
1m2 pro 7 m3/h
4,0
1m2 pro 20 m3/h
1m2 pro 10 m3/h
Zemní vzduchové vým níky tepla se hodí pro nov stav né budovy s nízkými tepelnými zisky,
nevyžadující p esnou regulaci teploty a vlhkosti. D ležitým p edpokladem jsou vhodné geologické a
dispozi ními podmínky pro zemní vým níky. Nevýhodou zemních vým ník jsou pom rn vysoké
po izovací náklady, provozní náklady i náklady na údržbu jsou u nich nízké.
P i navrhování systému je t eba minimalizovat tlakové ztráty vým níku a navrhnout systém tak, aby
byl istitelný. Nároky na prostor pro zemní vým ník jsou zna né. Doporu ená hloubka trubek je 5 m.
P edb žn lze uvažovat se špi kovým chladicím výkonem 45 W/m2 vztaženo na teplosm nnou plochu
40
cooling
35
35
30
30
25
20
15
25
500 W
15
200 W
50
1000 W
20
500 W
DN 2 0 0
Q
cooling
L [m]
L [m]
40
DN 1 6 0
Q
100
200 W
150
V [m 3 / h]
200
250
100
a
150
200
250
300
V [m 3 / h]
350
400
a
Obr. 5.19: P ibližný chladicí výkon ZVT (Kopecký 2008)
Miloš Lain 2007
80
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
vým níku, celkov lze za léto získat 8 až 10 kWh/m2 chladu (Barnadr 2001). Zemní vým níky lze
kombinovat s ostatními metodami nízkoenergetického chlazení stejn jako se strojním chlazením.
5.4.2
Za ízení pro využití chladu zemského polomasivu a realizace
Jako zemní vým níky se používá plastových potrubí, existují i speciální potrubí ur ená pro zemní
vým níky, ale asto se používá b žných kanaliza ních potrubí. isticí a spojovací šachty se v tšinou
montují individuáln . Ostatní prvky systému jsou již standardní, používané pro b žnou
vzduchotechniku.
V poslední dob se pom rn v hojné mí e za aly osazovat zemní vým níky pro chlazení rodinných
dom , jako sou ást systému dodávaných firmou Atrea. Realizace pro v tší objekty jsou pom rn
vzácné, stávající systém je v provozu v kulturním dom v eské líp . Nov postavená budova (2007)
se zemními vzduchovými vým níky je St edisko ekologické výchovy Slu ákov v Horké nad
Moravou. Zde je instalováno 16 trub o pr m ru 200 mm v zemním valu za budovou (obr. 5.20).
Obr. 5.20: P dorys zemního vým níku ekologického centra Slu ákov (Hofmeister 2004)
Miloš Lain 2007
81
Nízkoenergetické chlazení budov -
6
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pasivní chlazení – p ípadové studie
Tyto t i p ípadové studie dokumentují možnosti použití po íta ových simulací pro r zné stupn
návrhu i r zné typy budov s pasivním chlazením.P ípadová studie 6.1 je zpracovávána pro existující
rekonstruovanou budovu s vysokou tepelnou masou. Studie 6.2 byla provedena ve velmi raném stádiu
p edprojektové studie rozsáhlé universitní budovy s pasivním chlazením. A poslední prezentovaná
studie 6.3 eší teplotní podmínky v proskleném propojovacím kr ku s p irozeným v tráním.
6.1 Budova galerie s vysokou tepelnou hmotou budovy
Pro ilustraci významu tepelné hmoty budovy m že sloužit studie tepelného chování objektu Sovových
mlýn . Tento objekt byl postaven ve 14. století a tomu odpovídají i masivní obvodové stavební
konstrukce a klenuté stropy. P i rekonstrukci tohoto objektu na galerii byl proveden návrh
klimatiza ního za ízení. P edb žný projekt klimatizace vycházel ze standardních postup výpo tu
tepelné zát že a p edpokládal chladicí výkon 100 kW. Instalace za ízení o tomto výkonu by však byla
krajn obtížná a p edstavovala by rozsáhlé zásahy do stavebních konstrukcí historického objektu.
Praktické zkušenosti s mikroklimatem v masivních stavbách podobného typu však ukazují na
možnosti dodržení požadovaných parametr i bez nuceného v trání a klimatizace. Pro posouzení
t chto eventualit byla zvolena metoda po íta ové simulace, která m la prokázat varianty provozování
galerie bez klimatizace a ur it pot ebné chladicí výkony v p ípad nutnosti nucené úpravy parametr
prost edí.
Simulace byla provedena pro 6 zón odpovídajících
len ní místností galerie v druhém a t etím podlaží.
Budova je velmi masivní, obvodové st ny jsou ze
smíšeného cihlového zdiva o tlouš ce cca 800 mm s
výklenky pro okna. Model
p edpokládá špaletová
okna s vn jšími k ídly osazenými dvojsklem ditherm
a vnit ním jednoduchým sklem (stav po rekonstrukci).
Stávající vnit ní d ev né okenice budou zachovány.
Model zahrnuje jak geometrii vybraných prostor a
složení jednotlivých st n, tak optické vlastnosti oken.
V
podkroví
budovy
nad
galerií
je
navržen
klimatizovaný depozitá (24 °C), v p ízemí pod galerií
bude vybudována restaurace bez klimatizace.
Dvorní ást fasády je orientována jižním sm rem. V
modelu bylo sou asn
sousedními budovami.
Miloš Lain 2007
respektováno i zastín ní
Obr. 6.1: Pohled na budovu a ESP-r model
82
Nízkoenergetické chlazení budov -
6.1.1
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Parametry prost edí bez klimatizace
Po íta ovou simulací byly stanoveny parametry prost edí v galerii bez chlazení. Posuzován byl vliv
intenzity nuceného v trání venkovním vzduchem, po tu osob v galerii a osv tlení galerie. V této práci
jsou prezentovány pouze vybrané grafy pr m r teplot ze všech šesti místností galerie.
Obrázek 6.3 dokumentuje vliv uzav ení d ev ných okenic, kterými jsou opat ena všechna okna v
galerii. P i provozu galerie s uzav enými okenicemi byl v jedné variant p edpokládán výkon um lého
VLIV INTENZITY V TRÁNÍ
37
Teplota vzduchu [°C]
35
Intenzita v trání
33
0.1 /hod
31
0.5 /hod
29
1 /hod
27
1,5 /hod
25
Venkovní
teplota
23
21
19
Okenice otev eny
Po et osob v galerii 0
17
15
po
út
st
t
pá
so
ne
Vybraný týden
VLIV PO TU OSOB
37
35
Po et osob
Teplota vzduchu [°C]
33
0 osob
31
10 m2/os
29
27
5 m2/os
25
Venkovní
teplota
23
21
19
Okenice otev eny
17
Intenzita vým
ny
v trání
vzduchu 0.5 /hod
15
po
út
st
t
pá
so
ne
Vybraný týden
Obr. 6.2: Pr m rná teplota vzduchu pro r zné intenzity v trání (naho e) a po ty osob v galerii
(dole)
Miloš Lain 2007
83
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
VLIV ZAV ENÍ OKENIC
41
Okenice
39
37
zav eny
Teplota vzduchu [°C]
35
33
31
zav eny 45 W/m2
29
otev eny
27
25
Venkovní
teplota
23
21
19
Bez osob
17
Intenzita vým
ny
v trání
vzduchu 0.5 /hod
15
po
út
st
t
pá
Vybraný týden
so
ne
Obr. 6.3: Pr m rná teplota vzduchu pro r zné varianty osv tlení a otev ení/zav ení okenic
osv tlení 45 W/m2. V této variant
jsou však teploty výrazn
vyšší oproti stavu, kdy nebylo
p edpokládáno um lé osv tlení.
Z výsledk po íta ové simulace galerie bez klimatizace vyplynulo že p ijatelné teploty (pr m r 26 °C
a maxima 28 °C) budou dodrženy pouze p i zav ených okenicích bez um lého osv tlení. Takové
podmínky však nejsou p i provozu galerie možné. Proto je t eba prostory klimatizovat.
6.1.2
M ení teplot
V rámci ešení problému bylo provedeno i m ení teplot vzduchu v prostorách galerie p ed realizací
rekonstrukce. M ení probíhalo v období mezi 29.5. a 16.6.2000, kdy dosahovaly teploty venkovního
34
te
32
t 215
30
t 217
Teplota [°C]
28
t 314
26
t 312
24
te
(Dejvice)
22
20
18
16
14
16.6 0:00
15.6 0:00
14.6 0:00
13.6 0:00
12.6 0:00
11.6 0:00
9.6 0:00
10.6 0:00
as
8.6 0:00
7.6 0:00
6.6 0:00
5.6 0:00
4.6 0:00
3.6 0:00
2.6 0:00
1.6 0:00
31.5 0:00
30.5 0:00
29.5 0:00
12
Obr. 6.4: Teploty vzduchu nam ené v objektu a teplota venkovního vzduchu te
Miloš Lain 2007
84
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
vzduchu extrémních hodnot. Nicmén vzhledem k vysoké tepelné akumulaci objektu, lze o ekávat
ješt vyšší teploty vzduchu uvnit prostor p i podobných podmínkách na konci léta (viz simulovaný
p ípad). B hem m ení nebylo možné zajistit režim provozu místností (probíhající rekonstrukce),
proto nemohly být výsledky m ení použity p ímo ke kalibraci modelu. Nam ené teploty vzduchu
(až 29 °C) však potvrdily pot ebu chlazení i charakter pr b hu teplot vzduchu v budov .
6.1.3
Pot eba chladu pro klimatizaci galerie
Pro ur ení pot ebných výkon
klimatiza ního za ízení byla provedena simulace s nastavením
ideálního chlazení pro dodržení konstantní teploty vzduchu 26 °C.
Byl zvolen režim s uzav enými okenicemi pouze na jižní stran a s um lým osv tlením jedné t etiny
plochy galerie.
Na základ výsledk simulace (obr.6.5) byl proveden návrh systému v trání a klimatizace a rovn ž
byly vypo teny teploty p ivád ného vzduchu a pot ebný citelný výkon chladicího za ízení.
P i p ívodu 6000 m3/h venkovního vzduchu a požadované vnit ní teplot 26 °C je maximální pot ebný
výkon pouze 19 kW.
6.1.4
Záv r
Pomocí po íta ové simulace galerie v objektu Sovových mlýn bylo prokázáno, že provoz galerie
není možný bez chlazení. Hodnota pot ebného chladicího výkonu byla ur ena na 19 kW, což
p edstavuje výrazné snížení oproti hodnotám p edb žn ur eným standardním výpo tem. Simulací
ur ený skute ný pot ebný výkon je díky zahrnutí akumulace masivní stavby pouhou p tinou
p vodního p edpokladu. Navržené a realizované klimatiza ní za ízení je nejen výrazn jednodušší a
mén nákladné, ale p edevším s minimálními zásahy do historicky cenného objektu.
Pr b h chladicích výkon
Výkon chladicího za ízení
Tepelné zisky
Teplota p ivád ného vzduchu
Vnit ní teplota
25
30
Clazení na teplotu 26 °C
Chlazení
Výkon [kW]
20
15
15
10
10
5
Teplota vzduchu [°C]
25
20
5
0
0
po
út
st
t
pá
so
ne
Vybraný týden
Obr. 6.5: Pr b h pot ebných chladicích výkon
Miloš Lain 2007
85
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
6.2 Nov stav ná budova fakulty architektury
Tato p ípadová studie eší parametry prost edí pro p ipravovanou novou budovu fakulty architektury
VUT Praze. Budova by m la být navržena jako pasivní z pohledu chlazení bez strojního chlazení a
s p irozeným v tráním (s výjimkou konferen ního centra a garáží v podzemí). Výpo ty byly
provád ny v rámci p edprojektové architektonické studie a jedná se o p edb žné koncep ní ešení.
P edpokládá se detailní ešení chování budovy v dalším stupni, kdy budou k dispozici i detailní
stavební podklady. Simula ní výpo ty byly provád ny na modelech typických místností.
6.2.1 Popis budovy a modelu
Modelovaná budova je vícepodlažní objekt (8 nadzemních podlaží a 3 podzemní podlaží). Objekt je
rozd len na n kolik funk ních celk . V nadzemních podlažích budovy (1. – 8. NP) budou umíst ny
posluchárny, ateliéry, u ebny a kancelá e. V budov
jsou integrována 3 zast ešená atria.
V podzemních podlažích jsou umíst ny garáže. Model eší energetickou bilanci prostor vybraných
ateliér a kancelá í se zam ením na letní extrémy.
Budovu tvo í nosný železobetonový skelet, vnit ní st ny jsou tvo eny p evážn z cihlových, nebo
železobetonových p í ek. Vn jší obvodová fasáda je st edn t žká s výrazným podílem prosklených
ploch. Budova fakulty architektury je samostatn stojící a bude sousedit severozápadní fasádou
s budovou studentského domu (obr 6.6).
Simulace jsou provedeny pro dv varianty
ešení konstrukce strop
varianta K1
s heraklitem na strop , a varianta K2 bez
heraklitu na strop . Ve studii jsou pro
fasádu použity celkem 2 typy zasklení
venkovní fasády a 1 typ vnit ního zasklení
(viz tab. 6.1).
V po íta ových simulacích jsou uvažovány
dva režimy v trání venkovním tepeln
neupraveným
vzduchem.
Varianta
V1
v noci (od 19:00 do 8:00) intenzita v trání
3 /h a p es den (od 8:00 do 19:00) intenzita
v trání 1 /h. Varianta V2 v noci (od 19:00
do 8:00) intenzita v trání 3 /h a p es den Obr. 6.6: P dorysné schéma budovy s nazna ením
orientace (4.NP s vyzna ením ešených zón)
(od 8:00 do 19:00) intenzita v trání 2 /h.
Miloš Lain 2007
86
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab.6.1: Použitá zasklení, jejich sou initele g a sou initel prostupu tepla U
g
U
- W/m2K
0,4
1,1
. Varianta Ozna ení skla
1
S1
2
3
S2
Zasklení fasády – bez stín ní
Planibel Energy 10 mm (kalený) - 20 Argon - Stratophone 4.4.2
Zasklení fasády – s vn jšími žaluziemi
0,15
Vnit ní zasklení
0,86
1,1
5,4
V zadání pro analýzu mikroklimatu byly uvedeny p edpokládané vnit ní tepelné zát že se zadaným
pr b hem p sobení b hem dne. Hodnoty vnit ních maximálních tepelných zát ží jsou 15 W/m2 pro
kancelá e a až 50 W/m2 pro dvoupatrové ateliery, p edpokládá se p sobení vnit ní tepelné zát že
b hem provozu fakulty a to od 7:00 do 21:00, pr m rn cca 8 hodin denn .
6.2.2 Modelované zóny
Vzhledem k dostupnosti podklad
a asu byla první p edb žná simulace provedena pro vybrané
kancelá e a u ebny. Celkem bylo zkoumáno sedm místností. T i velkoplošné kancelá e, dva ateliéry a
dva atypické dvoupatrové ateliéry. Rozd lení modelu do jednotlivých zón je z ejmé z obr. 6.7.
Simulována byla perioda od 1.kv tna do 30.zá í.
Obr. 6.7: Schéma modelu vybraných místností (zón) budovy fakulty architektury v programu ESP-r
6.2.3
Výsledky po íta ové simulace
Pro sedm zón a šest kombinací variant zasklení, v trání a ešení konstrukcí stropu byly vyhodnoceny
výsledky po íta ových simulací. Výsledkem po íta ových simulací jsou potom etnost výskytu teplot
vzduchu v pracovní dob (uvažováno 8-19 hodin 5 dní v týdnu) a etností výskytu ukazatele procenta
nespokojených PPD ( SN EN ISO 7730).
Miloš Lain 2007
87
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Provedení stropu s heraklitem se projeví snížením výskytu doporu ených teplot o 2-7 %,
nejnep ízniv ji v posluchárn Z7 p i nižší intenzit v trání b hem dne (V1). Intenzita v trání b hem
dne má zna ný vliv p edevším u místností s vyššími tepelnými zisky a nep ízniv jšími vnit ními
teplotami vzduchu (zóna Z2 zm na o 20 %; zóna Z6 zm na o 18 %) v ostatních p ípadech není vliv
intenzity v trání tak vysoký (tab. 6.2). Intenzita v trání b hem dne snižuje i vliv ostatních
sledovaných parametr
(heraklit, zasklení). Vliv zasklení je také nejvýznamn jší v nep íznivých
místnostech (Z2, Z6), kde zvyšuje etnost o cca 10 %, v ostatních místnostech je zm na nižší
(obr. 6.7).
Výsledky ukazují velmi výrazný vliv vnit ní tepelné zát že, která je u sledovaných prostor
výrazn jším faktorem nežli orientace a geometrické ešení.
7%
6%
14%
Zm na etnosti teplot vzduchu nižších než 26°C
Zm na etnosti teplot vzduchu nižších než 26°C
8%
v trání V1
v trání V2
5%
4%
3%
2%
1%
0%
V1
V2
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
Z4
Z5
Z6
Zóna
Z7
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
Zóna
Obr. 6.7: Rozdíl etnosti výskytu teplot vzduchu pod 26°C mezi variantou bez heraklitu a s heraklitem
(vlevo) a mezi variantou zasklení S1 a variantou se žaluziemi S2 (vpravo)
6.2.4
Záv r
Z výsledk po íta ové simulace vyplývá, že pro dodržení p ijatelných pracovních podmínek v letním
období je nutné maximální omezení vn jších tepelných zisk radiací a to použitím vn jšího stín ní.
Použití heraklitu na stropech není vhodné, bylo by vhodné použít jiný systém tlumení hluku, který
umožní expozici betonových stropních desek a využití akumulace stropu pro odvod tepelné zát že.
Lepších parametr prost edí se dosáhne p i vyšší intenzit v trání b hem dne. P i t chto doporu ených
variantách stavby a provozu je potom ve v tšin kancelá í a u eben po dobu více jak 90 % letního
období dodržen po et nespokojených nižší než 30 % (není uvažována adaptace). Teploty vzduchu
vyšší než 30 °C nastávají pouze ojedin le. Což lze hodnotit jako p ijatelné. Nejnep ízniv jší situace
nastává dle o ekávání v zón Z2, jedná se dvoupodlažní ateliér pod st echou s JV orientací a vysokými
vnit ními teplenými zisky. Naopak nejnižší teploty jsou v lét v kancelá ích Z4, Z5. P i absolutním
Miloš Lain 2007
88
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
hodnocení etností výskytu teplot je nutné zohlednit fakt, že p i výpo tu bylo uvažováno s pom rn
vysokým využitím prostor a z toho plynoucími vnit ními zisky. P i dalších navazujících výpo tech by
m l být kladen d raz na zp esn ní, profilu vnit ních tepelných zisk .
Tab. 6.2: Varianty a výsledky po íta ové simulace
Intenzita
v trání
Provedení Zasklení
stropu
(g)
Varianta . den noc
Po et pracovních hodin s teplotou vzd. pod 26°C
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
V1 S1 K1
1
3
heraklit
0.41
84 % 84 % 47 % 60 %
V2 S1 K1
2
3
heraklit
0.41
89 % 89 % 67 % 77 %
V1 S1 K2
1
3
beton
0.41
82 % 41 % 54 % 87 % 88 % 54 % 68 %
V2 S1 K2
2
3
beton
0.41
87 % 62 % 73 % 91 % 90 % 72 % 80 %
V1 S2 K2
1
3
beton
0.15
88 % 52 % 64 % 93 % 92 % 66 % 75 %
V2 S2 K2
2
3
beton
0.15
92 % 71 % 79 % 94 % 94 % 80 % 84 %
6.3 P irozené v trání spojovací lávky administrativních budov
Tato p ípadová studie se zabývá ov ením mikroklimatu v uzav ené prosklené spojovací lávce v nov
stav né administrativní budov
Opatov 1, Praha 11. Cílem energetické studie je ov it p irozené
v trání lávky v letním období, parametry vnit ního prost edí a optimalizace velikosti otvor a režimu
provozu.
6.3.1
Popis objektu
Modelovaný prostor je vícepodlažní spojovací lávka (6 nadzemních podlaží), která spojuje dv k ídla
administrativní budovy (viz obr. 6.8). Spojovací lávka je tvo ena lehkou ocelovou konstrukcí a je
kompletn prosklená. Lávka sousedí na východ a západ s administrativní budovou. Prostor lávky je
áste n stín n ob ma k ídly administrativní budovy, které s ní bezprost edn sousedí. Navíc jsou na
úrovni nejvyššího 6. podlaží umíst ny vodorovné stínicí elementy. Ve studii jsou pro fasádu použity
celkem 3 typy zasklení venkovní fasády jedná se o zasklení selektivní s vyšší hodnotou propustnosti
sv tla velmi nízkou propustností tepla g. Použití t chto skel je d sledkem požadavku architekta na
subtilnost a pr hlednost všech st n lávky a snahou o omezení tepelných zisk a pot eby chlazení.
Detailní parametry skel byl získány od výrobce a základní parametry skel jsou v tabulce 6.3.
Pro spojovací lávku administrativní budovy jsou vnit ní tepelné zát že pom rn malé vycházejí z
po tu osob, instalovaných za ízení (motory výtah ) a osv tlení, celkem je vnit ní zát ž cca 3 W/m2.
Miloš Lain 2007
89
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab.6.3: Použitá zasklení, jejich sou initel g a sou initel prostupu tepla U
. Var. Ozna ení skla
Použití skla
1
S1
2
S2
3
Stopray Vision 50 T 10 16 Argon
Stratobel 1010.2 – 40 % potisk
Stopray Vision 50 T 10 16 Argon
Stratobel 1010.2 – 70 % potisk
10 mm Stopray Vision-50 T 15 mm Air
- 12 mm Planibel Clear
Zasklení VI.NP.
g
0,19
U
W/m2K
1,3
Zasklení VI.NP.
0,14
1,3
Zasklení
I.NP. až V.NP.
0,30
1,4
V trání objektu je p irozené otevíratelnými otvory pod stropem I.NP. a pod stropem VI.NP., plocha
otvor v I.NP. i v VI.NP. je 9,8 m2 na jižní a 9,8 m2 na severní fasád . Režim otevírání oken je patrný
z jednotlivých variant simulace.Okna jsou výklopná ven a opat ena automatickou regulací otevírání.
Do prostoru není nucen p ivád n žádný vzduch a zbytek fasády je t sný bez infiltrace.
Obr.6.8:P dorysné schéma administrativní budovy s nazna ením orientace a vizualizace celého
objektu s pohledem na spojovací lávku
Miloš Lain 2007
90
Nízkoenergetické chlazení budov -
6.3.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Model
Model lávky má 6 zón odpovídacích jednotlivým podlažím (viz obr. 6.9). Model budovy byl dopln n
modelem proud ní. Vzhledem k tomu, že nebyly ur eny tlakové sou initel pro p esný výpo et
proud ní vlivem v tru, bylo p edpokládáno bezv t í (korek ní faktor 0,05 na rychlost v tru).
Obr.6.9: Model spojovací lávky v programu ESP-r v etn stínících prvk
vzduchu budovou
6.3.3
a schéma proud ní
ešení a výsledky
Po íta ová simulace byla provedena pro pražský referen ní rok. Celkem bylo ešeno 6 kombinací
vycházejících ze dvou variant zasklení st echy a VI.NP.: S1 a S2 (viz Tab. 6.3) a t í variant provozu:
R1- okna stále naplno otev ena (2x 9,8 m2 v I.NP. + 2x9,8 m2 v VI.NP.)
R2- stejn jako R1, ale když je teplota vzduchu v I.NP. nižší než 18 °C okna v I.NP. zav ena
R3- podobn jako R2, ale plocha všech oken byla snížena na 4,9 m2
Pro variantu zasklení 40 % (S1) a provozu se stále otev enými okny (R1) je maximální teplota
vzduchu v VI.NP. objektu 35 °C, ale teploty nad 32 °C nastávají pouze výjime n . Problémem je
pom rn vysoký výskyt teplot pod 18 °C. Rozdíl mezi teplotou v VI.NP. a venkovním vzduchem je
maximáln 10 K, ale obvykle dosahuje v odpoledních hodinách cca 6 K, minimální rozdíly jsou
v ranních hodinách. Pr toky vzduchu objektem jsou maximáln
30 m3/s, b žn
kolem 20 m3/s.
V tšinu dní dochází v no ních a ranních hodinách k opa nému proud ní, kdy je vzduch p ivád n v VI.
NP. a odvád n v I.NP. Maximální rychlosti proud ní otvory jsou 1,5 m/s a pr m rné 0,7 m/s.
Miloš Lain 2007
91
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pro variantu zasklení 70 % (S2) a provozu se stále otev enými okny (R1) je maximální teplota
vzduchu v VI.NP. objektu 34,6 °C, jinak jsou výsledky tém
shodné s p edchozí variantou. St ední
radia ní teploty v VI.NP. jsou mírn vyšší.
Pro variantu zasklení 40 % (S1) a provozu s okny, která se zavírají když je v I.NP. teplota nižší než
18 °C (R2) je maximální teplota vzduchu v VI.NP. objektu 50 °C; tyto vysoké teploty však nastávají
v p echodovém období kdy dojde díky nízké teplot p ivád ného vzduchu k zav ení p ívodních
otvor , maximální teplota p i otev ených otvorech je 33 °C, ale teploty nad 32 °C nenastávají p íliš
asto (75 hodin). Výskyt teplot pod 18 °C se výrazn snížil. Rozdíl mezi teplotou v VI.NP. a
venkovním vzduchem je obvykle cca 10 K, minimální rozdíly jsou v ranních hodinách. Pr toky
vzduchu objektem jsou maximáln 45 m3/s, b žn kolem 25 m3/s. K opa nému proud ní, kdy je
vzduch p ivád n v VI. NP. a odvád n v I.NP. dochází již výjime n . Maximální rychlosti proud ní
otvory jsou 2,3 m/s a pr m rné 0,5 m/s.
Tab.6.4:Výsledky po íta ové simulace (teploty vzduchu)
Teplota
R1_S1
vzduchu
R1_S2
R2_S1
[°C]
od
do
hodin
hodin
hodin
49 %
637
17 %
1806
49 % 1796
18
1498
41 % 1493
41 % 2337 64 %
18
26
351
10 %
353
10 %
623
17 %
26
32
0,5
17
%
30
0,8 %
75
2,0 %
32
t max
t max
otev eno
R2_S2
hodin
602
2298
670
102
R3_S1
16 %
63 %
18 %
hodin
451
2205
853
12 %
60 %
23 %
2,8 %
163
4,4 %
35,0°C
34,7°C
52,0°C
56,0°C
52,3°C
33,1°C
34,7°C
33,1°C
34,6°C
35,9°C
etnosti teplot vzduchu v prostoru atria byly vyhodnoceny ze simulovaných teplot vzduchu pro danou
hodinu a podlaží.
6.3.4
Z výsledk
Záv r
po íta ové simulace vyplývá, že p ijatelné podmínky lze v prostoru spojovací lávky
zajistit p irozeným proud ním. Je t eba volit takový systém automatického otevírání v tracích otvor ,
který zajistí odvod tepelné zát že a zárove bude minimalizovat riziko pr vanu a p íliš nízkých teplot
v p ízemí (provoz mezi variantou R1, kdy byla oka stále naplno otev ená a variantou R2, kdy byla
okna asto zav ená). V p ípad uzav ení p ívodních otvor m že i v p echodovém období docházet
k nár stu vnit ních teplot nad p ípustnou míru. Obecn nejnep ízniv jší je situace v VI.NP., kde jsou
teploty vzduchu nejvyšší a na procházející nep ízniv p sobí i sálání okolích ploch.
Doporu ení pro technické ešení:
Miloš Lain 2007
92
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Otevíratelné otvory by m ly být opat eny automatickou regulací s možností n kolika stup
otev ení.
P i uvád ní do provozu a zkušebním provozu je t eba optimalizovat otevírání otvor s ohledem na
rizika pr vanu v I.NP. a zárove riziko nár stu teplot v VI.NP. Pracovníky trvale pracující v I.NP.
(recepce, ostraha) doporu ujeme chránit proti možnému pr vanu (nap . áste n uzav ené pracovišt )
a umožnit jim lokální vytáp ní. Proti sálání skel v VI.NP. by bylo vhodné procházející alespo
áste n chránit, nap íklad rostlinami i stínícími prvky.
6.4 Záv r
Tyto t i p ípadové studie prokázaly možnosti využití po íta ových simulací p i detailním návrhu
pasivního chlazení. N které záv ry a závislosti získané v t chto studiích lze považovat za obecné a
aplikovat je i u dalších budov.
Galerie s velkou tepelnou hmotou pot ebuje chlazení pro dodržení požadovaných parametr b hem
provozu, ale chladicí výkon zjišt ný detailním ešením je výrazn nižší než výkonem ur ený b žným
projektem.
Koncept budovy university s velkou tepelnou hmotou a p irozeným no ním v tráním ov il parametry
prost edí a je zásadním podkladem pro další detailní projek ní ešení.
Po íta ová simulace prokázala, že p irozené v trání spojovací lávky je dostate né pro odvod tepelné
zát že a identifikovala možná rizika p i provozu budovy.
Miloš Lain 2007
93
Nízkoenergetické chlazení budov -
7
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Adiabatické chlazení
V této kapitole jsou stru n prezentovány dv studie související s adiabatickým chlazením. První
z nich je p íkladová studie prezentující využití po íta ových simulací energetických a vlhkostních
bilancí p i dimenzování v trání a klimatizace pavilonu Pražské zoologické zahrady Indonéská
džungle. Ve druhé studii je prezentován zjednodušený model pro posouzení možností nep ímého
adiabatického chlazení.
7.1 Pavilon ZOO –Indonéská džungle
P ímé adiabatické chlazení se uplatní p edevším tam, kde je požadována vysoká vlhkost vzduchu a
zárove
chlazení. P íkladem takové aplikace je adiabatické chlazení pavilonu Indonéská džungle
pražské ZOO.
Pro posouzení energetických bilancí nov budovaného pavilonu Indonéská džungle pro ZOO Praha
byla použita po íta ové simulace (Barták 2001).
Vzhledem k požadované vysoké vlhkosti vzduchu (70 až 90 %) bylo navrženo p ímé adiabatické
chlazení
rozst ikováním
vody
v
prostoru,
ímž se snížil maximální
chladicí výkon z p vodních 215 kW na
160 kW. Výrazn
se snížil i po et
hodin s požadovaným chlazením - z
p vodních
tém
polovinu.
2000
Výsledky
hodin
na
po íta ové
simulace ur ily i p ibližný po et hodin,
kdy je pot ebný vysoký chladicí
výkon. Nap íklad výkon vyšší než Obr. 7.1: Model budovy pro energetické a vlhkostní bilance
120 kW se využije pouze 80 hodin v roce.
Studie zpracovaná pro tento pavilon byla zajímavá i tím , že s jednalo o energetické simulace ve velmi
raném stádiu projektování (úvodní projekt), a energetická koncepce navržená s pomocí této studie byla
pak základem pro projektování dalších stup
.
V roce 2007 prob hlo n kolik místních šet ení v pln
klimatiza ní systém pavilonu má
provozovaném pavilonu. Realizovaný
adu nedostatk , ale v tšina z nich je zp sobena použitím
nevhodných prvk (voštinové pra ky), špatným uvedením do provozu a se ízením za ízení. N které
zm ny p i realizaci byla špatn koordinovány. Nap íklad p esun venkovního výb hu opic, takže nyní
je erstvý vzduch pro v trání a klimatizaci nasáván p ímo z tohoto výb hu, což vede k extrémnímu
zanášení filtr
a prvk
Miloš Lain 2007
klimatiza ních jednotek. Bohužel se nepoda ilo uvést do provozu trvalé
94
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obr. 7.2: Snížení tepelné zát že pavilonu p ímým adiabatickým chlazením
monitorování systému. P i jednorázových m eních v lét 2007 bylo ov eno, že i se všemi nedostatky
zajiš uje systém v trání, klimatizace a zvlh ování požadované parametry vnit ního prost edí v letních
dnech, práv díky p ímému adiabatickému chlazení pneumatickými tryskami .
Miloš Lain 2007
95
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
7.2 Studie použití nep ímého adiabatického chlazení
V rámci diplomové práce zpracované v Ústavu techniky prost edí na Fakult strojní
VUT v Praze
byl vytvo en zjednodušený simula ní program pro návrh nep ímého adiabatického chlazení (Duška
2002). Sou ástí této práce bylo i srovnání tohoto systému se dv mi základními klimatiza ními
systémy využívajícími klasický chladící okruh.
7.2.1
Popis simula ního programu pro nep ímé adiabatické chlazení
Simula ní program byl vytvo en v tabulkovém procesoru Excel (Duška 2002). Výpo et probíhá pro
každou hodinu referen ního roku. Simula ní program je možné rozd lit na dva provázané funk ní
celky. První provádí energetickou bilanci zóny a stanovuje množství tepla nebo chladu pot ebné pro
dosažení požadované teploty v prostoru. Druhá ást je tvo ena bilancí vlhkosti stanovující vlhkost
v zón , dosažitelný výkon nep ímého adiabatického chlazení a vázaný chladící výkon standardního
chladi e.
Výpo et je postaven jako jednozónový
simula ní model. Hranice zóny se
skládají
z devíti
st n:
t ech
st n
sousedících s vn jším prost edím a
šesti
vnit ních
s jiným
vnit ním
uvažována
st n,
sousedících
prostorem
konstantní
(je
teplota
sousedních vnit ních prostor). V zón
je možné ur it p t provozních stav
v pr b hu dne s odlišným po tem
osob,
velikostí
vnit ních
vodních zisk , pr tokem
vzduchu
a
celkovým
zisk ,
erstvého
pr tokem Obr. 7.3: Schéma modelu pro energetické bilance (Duška 2002)
vzduchu.
Regulace teploty vzduchu v zón probíhá podle jednoduchého algoritmu. Teplota vzduchu v zón je
udržována na zvolené konstantní hodnot tmin s adaptivním zvyšováním požadované teploty, pokud je
teplota venkovního vzduchu vyšší než stanovená mez.
Jako vstupní hodnoty výpo tu byla použita klimatická data TRY-Praha.
Miloš Lain 2007
96
Nízkoenergetické chlazení budov -
7.2.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Simulace nep ímého adiabatického chlazení
Simulace byla vypracována pro jednu standardní kancelá nacházející se v t í podlažní administrativní
budov firmy OEZ v Letohrad . Kancelá je umíst na ve druhém pat e, podlahová plocha iní 66 m2,
objem 199 m3 a plocha oken p edstavuje 20 m2. Orientace vn jších st n místnosti je jihozápadní a
jihovýchodní. Kancelá byla ur ena pro p t zam stnanc , každé pracovišt bylo vybaveno jedním
po íta em s monitorem.
Simulace této kancelá e byla provedena pro t i klimatiza ní systémy:
1. Centrální vzduchový systém s
nep ímým adiabatickým chlazením
Klimatizaci
jednotka
kancelá e
zajiš uje
s vým níkem
ZZT,
centrální
sm šovací
komorou, oh íva em a chladi em na p ívodu (pro
p ípadné dochlazení) a sprchovou pra kou pro
nep ímé adiabatické chlazení na odvodu. Tento
systém bude v dalším textu zkrácen ozna ován
jako ADIABATICKÝ.
2. Centrální vzduchový systém
Klimatiza ní jednotka se skládá z vým níku
ZZT, sm šovací komory, oh íva e a chladi e na
p ivád ném vzduchu. Tento systém se od
p edešlého liší pouze absencí pra ky pro nep ímé
adiabatické chlazení.
v dalším
textu
Tento systém bude
zkrácen
CENTRÁLNÍ.
ozna ován
jako
Obr.7.4: Schéma porovnávaných systém (Lain
2003, Duška 2002)
3. Kombinovaný systém s centrálním p ívodem v tracího vzduchu a konvektorovými
cirkula ními jednotkami v klimatizovaném prostoru (FC)
Tento systém lze považovat za obvyklý zp sob chlazení nových nebo rekonstruovaných
administrativních budov. Proto je také použit jako referen ní zp sob pro srovnání s centrálním
adiabatickým chlazením. Jde o systém s centrální p ípravou pouze hygienického minima erstvého
vzduchu (tepelná úprava pouze zp tným získáváním tepla). Chlazení, pop ípad doh ev v tracího
vzduchu a zárove
chlazení a oh ev v traného prostoru je realizováno pomocí vnit ních
konvektorových jednotek (tento systém bude v dalším textu ozna ován jako FAN-COIL).
Miloš Lain 2007
97
Nízkoenergetické chlazení budov -
7.2.3
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Výsledky
Výsledky simulace jsou uvedeny v tabulce 7.1. Zvýšené tepelné zisky pro ADIABATICKÝ systém
jsou zp sobeny zvoleným režimem, jednotka pracuje i p i vyšších teplotách s maximálním pr tokem
erstvého vzduchu.
Tabulka 7.1: Výsledky simulace nep ímého adiabatického chlazení (Duška 2002)
System
Tepelné
Maximální
Maximální Maximální vlhkost v
zisky výkon chladícího vlhkost v zón bez extrémních
vliv klimatu
okruhu
zón
%
W
W
%
%
Spot eba chladu
kWh
%
ADIABATICKÝ
4 785
5 175
91
85
79
967
43
CENTRÁLNÍ
3 266
5 678
100
84
76
2 241
100
FAN-COIL
3 266
4 419
78
75
70
3 096
138
D ležitým výsledkem provedené simulace je stanovení výkonu chladi e pro ADIABATICKÝ systém.
Z výsledk simulace vyplývá, že pro eské klima není možné pln nahradit chladící systém nep ímým
adiabatickým chlazením. Celkový výkon chladi e pro ADIABATICKÝ systém je dokonce v tší než
pro systémy FAN-COIL. Nejvyšší výkon chladi e je pot ebný pro CENTRÁLNÍ systém, ale etnost
výskytu vysokých výkon
chladícího za ízení je velmi malá. P i detailním rozboru zjistíme, že
odpovídají extrémním stav m klimatu, p edevším vysoké entalpii.
Krom
teploty, která byla v tomto simula ním modelu zvolena jako prioritní, je významným
parametrem mikroklimatu vlhkost. P estože p i nep ímém adiabatickém chlazení nedochází k nár stu
m rné vlhkosti p ivád ného vzduchu (dokonce p i extrémních vlhkostech venkovního vzduchu
dochází ke kondenzaci vodních par na vým níku adiabatického chlazení), je výsledná vlhkost v zón
p i využití ADIABATICKÉHO systému vyšší u ostatních systém . To je zp sobeno nižší kondenzací
vodních par na povrchu chladi e než u systém bez adiabatického chlazení. Ur itý náhled pro
srovnání max. relativních vlhkostí p edstavuje v tabulka 7.1.
Z výsledk simulace je z ejmé, že žádný ze sledovaných systém nespl uje zcela požadavky na
vlhkost v pracovním prost edí dle Na ízením vlády 178/2001 ve zn ní pozd jších p edpis . Zde je
jako mezní hodnota vlhkosti uvedena hodnota 70 %. Neobsahuje-li klimatiza ní systém režim
odvlh ování, pak tuto podmínku nelze splnit. Provedeme-li pro vlhkost korekci pro extrémní výkyvy
klimatu, zjistíme, že vyhovuje pouze systém FAN- COIL .
Ro ní spot eba energie pro chlazení (lépe e eno spot eba energie na výrobu chladu) p edstavuje
významnou položku tvo ící provozní náklady klimatiza ních za ízení. ADIABATICKÝ systém
p ináší významné úspory p edstavující až 57 % ve srovnání se systémem CENTRÁLNÍM a 69 % ve
srovnání se systémem FAN- COIL. Tyto úspory nejsou zanedbatelné a mohou být významným
argumentem p i hledání zp sob uplatn ní tohoto systému.
Miloš Lain 2007
98
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Rozdíl spot eby chladu mezi systémy CENTRÁLNÍM a FAN-COIL je zp soben omezenou možností
využití erstvého vzduchu pro chlazení u systému FAN-COIL.
7.2.4
Z výsledk
Záv r
simulace je z ejmé, že pro naše klimatické podmínky není možné p i striktních
požadavcích na parametry vnit ního prost edí pln nahradit standardní chladicí systém nep ímým
adiabatickým chlazením složeným z b žných vzduchotechnických prvk . Jednotka pak musí být
osazena standardním chladi em, jehož pot ebný výkon je v extrémních podmínkách tém
shodný
jako pro za ízení bez adiabatického chlazení. Úspory provozních hodin a spot eby chladu jsou však
pro systém s nep ímým adiabatickým chlazením zna né.
7.3 Záv r
V této kapitole byla prezentovány možnosti detailního ešení dimenzování a optimalizace systém
adiabatického chlazení. Lze íci, že existují nástroje pro detailní ešení energetických bilancí systém
s adiabatickým chlazením. Adiabatické chlazení m že p isp t ke snížení spot eby energie na chlazení
budov.
Miloš Lain 2007
99
Nízkoenergetické chlazení budov -
8
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Studie možností no ního chlazení v eské republice
Pro posouzení možností no ního chlazení v eské republice byla pro vybranou referen ní kancelá
zpracována detailní po íta ová simulace pro r zné parametry okrajových podmínek. Simulace byly
provedeny pro pražský referen ní rok (P ikryl 2007).
8.1
Parametry modelu
Referen ní kancelá o p dorysných
rozm rech 6 x 5 a výšce 3 metry byla
uvažována jako místnost obklopená
identickými prostory. Vn jší st na,
kde jsou umíst na dv
okna, je
v referen ním modelu orientována
sm rem na jih. Celková plocha
zasklení tvo í 54 % venkovní fasády
a celé okno je stín no vn jším
stínícím prvkem. Vnit ní prostor
kancelá e byl uvažován jako jedna
zóna (Obr 8.1).
Zasklení
Obr: 8.1: Model kancelá e s vn jším stín ním v programu
ESP-r
Simulace byla provedena v programu ESP-r pro ty i typy zasklení (obr8.2):
O1
Standartní dvojité zasklení, 2 x sklo Planibel clear 4 mm, U = 2,85 W/m2 K, stínicí sou initel s
= 0,77
O2
Determální zasklení dvojité, sklo vn jší Sunergy-azur 6 mm, sklo vnit ní Planibel clear 4 mm,
U = 2,75 W/m2 K, stínicí sou initel s = 0,40
O3
Determální zasklení dvojité, sklo vn jší Sunergy clear 6 mm, sklo vnit ní Planibel clear 4
mm, U = 2,75 W/m2 K, stinící sou initel s = 0,54
Konstrukce podlahy
Jak už bylo e eno v úvodu pro metodu no ního v trání, využití je siln závislé na teplené hmot
budovy. Maximální užitek nabízí p i akumulaci do konstrukcí t žkých. Pro model kancelá e byly
vytvo eny t i typy podlah:
P1
železobeton (0,3 m), U = 2,72 W/m2 K
P2
železobeton (0,15 m), minerální vlna ( 0,01 m), betonová vrstva ( 0,05 m), U = 1,66 W/m2 K
P3
železobeton (0,15 m), minerální vlna (0,01 m), betonová vrstva ( 0,12 m), U = 1,41 W/m2 K
Miloš Lain 2007
100
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obr: 8.2: Optické vlastnosti použitých zasklení O1 (vlevo), O2 (dole), O3 (vpravo) v programu ESP-r
Vnit ní zisky
Do modelu byly uvažovány produkce tepla od lidí a produkce tepla elektronických za ízení (po íta ,
tiskáren, apod.). Kancelá svojí rozlohou 30 m² umož uje vytvo ení 2 až 4 pracovních míst. Do
modelu byly použity t i p ípady obsazení místnosti:
Q1
2 osoby (2 x 62 W), 2 osobní po íta e (2 x 70 W)
Q2
3 osoby (3 x 62 W), 3 osobní po íta e (3 x 70 W) + kopírka (40 W)
Q3
4 osoby (4 x 62 W), 4 osobní po íta e (4 x 70 W) + kopírka (40 W)
asový interval, po který je kancelá obsazena, od 7:00 do 19:00. V dob od 8:00 do 18:00 je
uvažována plná obsazenost místnosti. Profil vnit ních zisk byl dopln n polední p estávkou mezi
12:00 až 14:00. Vnit ní zisky jsou uvažovány pouze v pracovních dnech.
No ní intenzita v trání
Byly vyšet ovány t i r zné intenzity vým ny vzduchu:
N1
no ní v trání - p ívod erstvého vzduchu 150 m3/hod, I = 1 1/hod
N2
no ní v trání - p ívod erstvého vzduchu 450 m3/hod, I = 3 1/hod
N3
no ní v trání - p ívod erstvého vzduchu 750 m3/hod, I = 5 1/hod
Tyto intenzity v trání byly navrženy od 19:00 do 7:00. Regulace p ívodu vzduchu tedy spouští režim
no ního v trání ihned po skon ení pracovní doby. Intenzita vým ny se b hem noci nem ní a nereaguje
Miloš Lain 2007
101
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
na zm ny teploty v kancelá i. V trání kancelá e probíhá nezávisle na obsazenosti místnosti - vým ny
vzduchu uvažujeme pro pracovní dny i víkendy.
Denní intenzita v trání
Denní vým na vzduchu bude ešena p ívodem venkovního tepeln
neupraveného vzduchu (v
programu RSP-r definováno jako infiltrace):
V1
denní vým na - p ívod erstvého vzduchu 150 m3/hod, I = 1 1/hod
V2
denní vým na - p ívod erstvého vzduchu 300 m3/hod, I = 2 1/hod
V3
denní vým na - p ívod erstvého vzduchu 450 m3/hod, I = 3 1/hod
Orientace fasády kancelá e
Jsou voleny 4 základní orientace vn jší fasády
S1
orientace na jih
S2
orientace na východ
S3
orientace na sever
S4
orientace na západ
Jako referen ní byla zvolena kombinace variant O3 P2 Q2 N2 V1 S1 (ozna eno tu n ).
8.2
Výsledky simulací
Výsledky simulací jsou prezentovány v tabulce 8.1 a ilustra ním grafu na obrázku 8.3. Jako hodnotící
kriterium jsou zvoleny etnosti výskytu teplot vzduchu v pracovní dob . Simulace vycházejí z jedné
základní varinty každého parametru a s tou jsou pak porovnávány varianty ostatní. Nejsou tedy
zpracovávány všechny kombinace jednotlivých parametr .
Veškeré výsledky s použitím vn jších žaluzií a relativn
nízkými vnit ními zisky lze hodnotit
z pohledu adaptivní tepelné pohody jako vyhovující. Maximální teploty vzduchu se pohybují kolem
30 °C, teploty nad 26 °C jsou necelých 15 % pracovní doby léta a teploty nad 28 °C v tšinou mén
než 5 %. Nejnep ízniv jší jsou varianty s max. vnit ními tepelnými zisky (Q3) a varianty
s minimálním no ním chlazením (N1), tyto dv varianty lze považovat za nevyhovující.
Relativn
vysoká
etnost nízkých teplot vzduchu je zp sobena p edevším tím, že simulace je
provedena pro období od 1.5 do 30.9 tudíž zahrnuje i p echodové období a neuvažuje vytáp ní.
V letním období jsou v tšinou teploty vzduchu uvnit vyšší než 20 °C, p esto riziko p íliš nízkých
teplot po ránu hrozí.
Miloš Lain 2007
102
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tabulka 8.1: Výsledky po íta ové simulace
varianta
ref.
o1
o2
p1
p3
q1
q3
n1
n3
v2
v3
s2
s3
s4
denní intenzita v trání
1/h
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
3
1
1
1
no ní intenzita v trání
1/h
3
3
3
3
3
3
3
1
5
3
3
3
3
3
32
29,9
30
30
teploty vnit ního vzduchu
max.teplota
ºC 30,4 30,6 30,2
30
30,4 29,5 31,1
29,9 28,9 30,8
pr m. teplota v prac.dob
ºC 21,6 21,9 21,3 21,5 21,7 20,8 22,3 23,2 21,1 20,8 20,3 21,5 20,8 21,4
etnost teplot
< 20 °C
hod 480 450 511 472 462 580 407 301 538 582 638 481 553 509
20 - 22 °C
hod 225 229 221 242 237 224 234 218 223 222 210 244 236 236
22 - 24 °C
hod 213 204 227 234 223 215 212 224 213 190 199 204 222 200
24 - 26 °C
hod 209 212 191 200 199 179 198 231 190 182 156 209 194 195
26 - 28 °C
hod 132 146 121 123 136
92
167 187 114 105
83
139
88
134
> 28 °C
hod
30
102 159
34
43
27
46
61
79
49
49
63
42
39
< 20 °C
36% 34% 39% 36% 35% 44% 31% 23% 41% 44% 48% 36% 42% 39%
20 - 22 °C
17% 17% 17% 18% 18% 17% 18% 17% 17% 17% 16% 18% 18% 18%
22 - 24 °C
16% 15% 17% 18% 17% 16% 16% 17% 16% 14% 15% 15% 17% 15%
24 - 26 °C
16% 16% 14% 15% 15% 14% 15% 18% 14% 14% 12% 16% 15% 15%
26 - 28 °C
10% 11% 9%
9% 10% 7% 13% 14% 9%
8%
6% 11% 7% 10%
> 28 °C
5%
4%
3%
3%
8.3
6%
4%
5%
2%
8% 12% 3%
3%
2%
Záv r
Tato studie prokázala možnosti no ního chlazení administrativních budov v eské republice. P i
použití vn jšího stín ní, nízkých vnit ních tepelných ziscích a aplikování zásad adaptivního tepelného
komfortu, lze zajistit tepelnou pohodu po v tšinu letního období pouze no ním v tráním.
Miloš Lain 2007
103
3%
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
40
150 m3/h, I= 1 1/h
450 m3/h, I= 3 1/h
750 m3/h, I= 5 1/h
externí teplota
Teplota vzduchu [ºC]
35
30
25
20
15
10
5
14.VII
16.VII
18.VII
20.VII
22.VII
24.VII
26.VII
28.VII
datum
Obr: 8.3: Pr b h teplot vzduchu pro varianty no ního v trání (n1, ref., n3)- vybrané období
Miloš Lain 2007
104
Nízkoenergetické chlazení budov -
9
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Administrativní budova se systémem Top-cooling
V této nejrozsáhlejší p ípadové studii je prezentováno ešení v trání klimatizace ve st edn velké
administrativní budov , která byla od po átku projektována s d razem na snížení spot eby energie na
klimatizaci. V hlavním traktu budovy je vzduchový systém v trání a klimatizace s omezenou
kapacitou chlazení (Top cooling). V této kapitole jsou postupn prezentovány po íta ové simulace
zpracované p i projektování systému, m ení p i uvád ní do provozu a odstra ování závad a nakonec
detailní po íta ové simulace zam ené na optimalizaci a posouzení systému.
Obr. 9.1: Princip stín ní, akumulace a no ního v trání
9.1 Popis budovy
Budova sloužila pro úst edí spole nosti
EZ. V budov je uplatn no n kolik prvk
pasivního a
nízkoenergetického chlazení. Pat í sem p edevším venkovní žaluzie na jižní fasád , použití
selektivních skel se sv telnou propustností 60% a celkovou energetickou propustností 35%, vysoká
tepelná hmota budovy (betonové stropy s žebry) a vzduchový systém umož ující využití no ního
chlazení. Zna ná
ást budovy byla p vodn
koncipována
strojního
bez
chlazení,
pouze
s no ním v tráním. Tomu odpovídá i
ešení
v trání a klimatizace celého k ídla budovy (3.NP
až 6.NP) jednozónovým vzduchovým systémem
bez cirkulace.
prost edí
Nicmén
spolu
se
požadavky na vnit ní
zvýšením
p vodn
p edpokládaného po tu osob a vybavení vedly
k záv ru, že je nutné systém doplnit o strojní
chlazení. Výsledkem je systém tzv. top-cooling
Obr.9.2: Vizualizace budovy (Dvo ák 2004)
spo ívající v kombinaci nízkoenergetického a strojního chlazení. Budova získala v zá í 2002 cenu
nadace ABF „Stavba roku“ (Dvo ák 2002). ešení se zam ilo na nejv tší kancelá ský trakt se severojižní orientací hlavních fasád.
Miloš Lain 2007
105
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
9.2 P edb žné simulace v rámci projektu
P edb žné simula ní výpo ty (Barták 2000) byly provedeny na jednozónovém modelu
reprezentativního výseku o vnit ních rozm rech 15,15 m x 2,55 m x 2,7 m (hloubka x ší ka x výška)
ve 3. NP jižního k ídla budovy, jehož podélná osa je orientována od západu k východu. Výsek
pokrývá plnou hloubku p íslušné ásti budovy, jeho protilehlé fasády jsou orientovány na sever a na
jih. Jak je patrné z grafu na obrázku 9.3, p i no ním i denním v trání intenzitou 3 1/h byly teploty
v prostoru vyšší, než je p ípustné pro dodržení tepelné pohody. Záv rem t chto p edb žných simulací
bylo doporu ení na osazení strojního chlazení. Pro vybraný segment byly stanoveny pot ebné citelné
chladicí výkony pro dodržení vnit ních teplot vzduchu nižších než 28°C.
Teploty vzduchu
Teplota [°C]
Vnit ní citelná tepelná zát ž maximáln 2281 W (1561 W bez osv tlení)
Pouze v trání venkovním vzduchem s intenzitou 3 vým ny za hodinu
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
kv ten
Venkovní vzduch
erven
Vnit ní vzduch
ervenec
srpen
zá í
as
Obr: 9.3: Výsledky p edb žných simulací pr b hu teploty vzduchu pro budovu (Barták 2000)
Teplota [°C]
Neklimatizovaná budova bez vnit ní zát že a bez v trání
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
kv ten
Venkovní vzduch
erven
ervenec
Vnit ní vzduch
as
srpen
zá í
Obr. 9.4: Pr b h teplot vzduchu pro budovu bez v trání a tepelné zát že (Barták 2000)
Miloš Lain 2007
106
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
9.3 M ení a monitorování
V letech 2002 až 2005 probíhalo v této budov monitorování a data ze systému m ení a regulace
byla archivována a analyzována. Tato data obsahují teploty vzduchu z ady míst klimatiza ního
sytému a nastavení parametr regulace. Dále prob hlo jednorázové m ení povedené v rámci posudku
klimatiza ního systému za první zkušební rok provozu (Drkal 2002). Výsledky t chto m ení jsou
shrnuty v podkapitolách 9.3.1 až 9.3.8., kde jsou prezentovány i tabulky a grafy z vypracovaného
posudku (Drkal 2002). Posledním dopl kovým zdrojem pro kalibraci modelu jsou klimatická data
z meteorologické stanice Ústavu techniky prost edí.
9.3.1
M ení teploty vnit ního vzduchu ti (°C) v prostoru kancelá í
M ení bylo provedeno v prostoru kancelá í 2.NP až 6.NP ve výšce 1,65 m nad podlahou, m icí místa
jsou vyzna ena na p dorysném schématu kancelá ského podlaží (obr. 9.5). Nam ené hodnoty jsou
zaznamenány v tabulce 9.1. Pro p ehled jsou
zaznamenány i pr m rné teploty odvád ného
vzduchu tom získané m ením podle odst. 9.3.2.
Teplota vnit ního vzduchu na ploše jednotlivých
podlaží je pom rn dob e vyrovnaná. Maximální
rozdíly ∆ti max (°C) se pohybují v rozmezí 0, 6 °C až
1,1 °C, což je p i hodnocení provozního m ení
V
S
T
U
P
p ijatelné. Navíc v pr b hu m ení nebylo možné
zabránit otevírání oken, což mohlo rozdíly teplot
ovlivnit.
A
B
C
D
Obr. 9.5: Schéma m icích míst
Pr m rné teploty vnit ního vzduchu v jednotlivých podlažích vzr stají sm rem k vyšším podlažím
(tab. 9.1, obr. 9.6).
Tab. 9.1: Teplota vnit ního vzduchu v kancelá ích
Podlaží
2. NP
3. NP
4. NP
5. NP
6. NP
A
22,1
22,0
23,1
22,6
22,8
Miloš Lain 2007
B
22,7
23,2
22,7
23,0
ti (°C)
C
D
22,7
22,4
21,8
21,6
23,3
22,6
23,1
22,7
23,0
23,5
Pr m rná hodnota
tim
(°C)
22,4
22,0
23,0
22,8
23,2
22,7
∆ti max
(°C)
0,6
1,1
0,9
0,5
0,7
tom
(°C)
22,3
22,4
23,1
22,7
23,3
22,6
107
Nízkoenergetické chlazení budov -
M ení teploty p ivád ného vzduchu a odvád ného vzduchu v kancelá ích
9.3.2
M ení
bylo
provedeno
na
ti
vzduchovodu pod stropem kancelá í
vyústkách).
Lze
konstatovat, že pr m rná teplota
p ivád ného
vzduchu
tpm
v jednotlivých patrech i v celém
objektu je zna n vyrovnaná, blíží
se hodnot 17 °C.
vzduchu
odsávacích
odvád ného
m ené
výustí
v jednotlivých
Lineární (ti )
Lineární (tp)
Lineární (to)
22
21
20
19
18
17
16
teploty
tom
to
p
23
teplota vzduchu [°C]
v odsávacích
tp
o
24
(tp v p ivád cích vyústkách, to
Pr m rné
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
15
2. NP
v místech
pod
podlažích
3. NP
4. NP
5. NP
6. NP
stropem Obr. 9.6: Teploty vzduchu ti , tp , to v 2.NP až 6.NP
velmi
dob e odpovídají pr m rným teplotám vnit ního vzduchu v daném podlaží. Pr m rná teplota
odvád ného vzduchu vykazuje jednozna nou tendenci nár stu sm rem k vyšším podlažím (tab.9.2,
obr.9.6).
Tab. 9.2: Teplota p ivád ného a odvád ného vzduchu v kancelá ích
Podlaží
2. NP
3.NP
4. NP
5.NP
6.NP
p ívod
odvod
p ívod
odvod
p ívod
odvod
p ívod
odvod
p ívod
odvod
p ívod
odvod
p ívod
odvod
9.3.3
A
17,1
21,7
16,7
22,3
16,4
22,7
16,4
21,8
16,7
23,5
tp , to
B
16,9
22,6
16,6
23,3
16,7
23,1
17,7
22,9
(°C)
C
17,9
22,7
17,4
22,3
17,8
23,3
17,1
23,0
17,4
23,1
D
17,8
22,5
17,2
22,3
17,1
23,2
16,6
23,0
16,7
23,7
Pr m rná
hodnota
tpm
to (°C)
17,6
22,3
17,1
22,4
17,0
23,1
16,7
22,7
17,1
23,3
17,1
22,8
∆tp max
∆to max (°C)
0,8
1,0
0,7
0,3
1,4
0,6
0,7
1,3
1,0
0,8
tom - tpm
(°C)
4,7
5,3
6,1
6,0
6,2
5,7
M ení rychlosti proud ní vzduchu v p ivád cích vyústkách
M ení bylo provedeno na p ivád cích výustích v 2. NP až 6. NP, v každém míst byly m eny dv
sousední výust . Z nam ených hodnot byly vyhodnoceny i pr m rné rychlosti proud ní vzduchu w
(m/s) v každém pat e. M ení bylo provedeno, vzhledem k vysokému po tu výustí, pouze na jejich
ásti. Jak výsledky ukázaly, poskytl zvolený výb r reprezentativní obraz o pr toku vzduchu
p ivád ného do jednotlivých pater (Drkal 2002). Z výsledku m ení rychlosti vzduchu na p ivád cích
Miloš Lain 2007
108
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
výustích nelze p ímo stanovit skute ný pr tok vzduchu v jednotlivých podlažích, ale údaje w = f (NP)
lze považovat za
ukazatele rozd lení pr toku p ivád ného vzduchu v jednotlivých podlažích.
Pr m rné rychlosti na jednotlivých patrech wm výrazn klesají sm rem k horním patr m. Pr b h
závislosti rychlosti vzduchu na podlaží budovy je dokumentován na obr. 9.7.
Chladicí výkon p ivedený do jednotlivých polaží je dán pr tokem vzduchu a rozdílem teplot, hodnoty
rozdíl teplot a pr tok vztažených ke st edním hodnotám jsou uvedeny v tabulce 9.4.
9.3.4
Záv ry m ení objektu
Výsledky m ení poskytují podklad
pro vyhodnocení
funkce
5
klimatiza ního systému v kancelá ích
následovn :
-
Pr m rná
teplota
p ivád ného
vzduchu tpm v celém objektu je
zna n vyrovnaná.
- Pr m rné teploty vnit ního vzduchu
4.5
rychlost vzduchu [m/s]
2.NP až 6.NP. Výsledky lze shrnout
4
3.5
3
2.5
tim vzr stají sm rem k vyšším
podlažím.
-
Pr m rné
teploty
odvád ného
2
2. NP
3. NP
4. NP
5. NP
6. NP
Obr. 9.7: Rychlost vzduchu wm v p ivád cích výustích
vzduchu tom vzr stají sm rem k vyšším podlažím.
- Pr m rné rychlosti vzduchu na p ivád cích výustích wm klesají sm rem k horním podlažím. Lze
p edpokládat, že hodnoty rychlostí odpovídají pr toku p ivád ného vzduchu, tj. pr tok
p ivád ného vzduchu klesá sm rem k horním podlažím.
Tab. 9.4: Pom rné rozdíly teplot a pom rné pr toky vzduchu
Podlaží
2. NP
3. NP
4. NP
5. NP
6. NP
1/ ∆ to*
(tom - tpm)min /
(tom - tpm)
1,0
0,88
0,77
0,78
0,75
∆ to *
(tom - tpm) /
(tom - tpm)min
1,00
1,14
1,30
1,28
1,33
w*
wm /
wm max
1,0
0,9
0,75
0,77
0,57
w*. ∆ to*
1,00
1,02
0,97
0,99
0,76
Z rozboru pom rných teplot a rychlostí vyplývá, že v 2. až 5. NP je p ibližn stejná tepelná zát ž, ale
díky p ibližn lineárn klesajícímu pr toku vzduchu sm rem k horním patr m roste teplota vzduchu
v kancelá ích i teplota odvád ného vzduchu.
Miloš Lain 2007
109
Nízkoenergetické chlazení budov -
9.3.5
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Porovnání teplot odvád ného vzduchu a m ené teploty vnit ního vzduchu
v kancelá ích
Teplota odvád ného vzduchu to (°C) ode tená ze systému MaR ve strojovn vzduchotechniky byla
porovnána s teplotou vnit ního vzduchu v kancelá ích ti (°C). Tato teplota byla zjišt na m icími
p ístroji. Hodnoty ti získané m ením v prostoru kancelá í a hodnoty to ode tené ve strojovn jsou
zaznamenány v následující tabulce 9.5. Z nam ených hodnot je patrný zna ný rozdíl mezi teplotou
nam enou v klimatizovaném prostoru (jak jednorázov teplom ry, tak dlouhodob datalogery). Tento
rozdíl byl zjišt n opakovan i p i dalších m eních.
Tab. 9.5: Teplota odvád ného vzduchu to a teplota vzduchu m ená v kancelá ích ti.
Podlaží
A
24,3
24,0
24,0
24,1
24,6
B
23,9
24,2
24,7
25,0
25,7
ti (°C)
C
D
2. NP
23,7
23,6
3. NP
24,4
23,6
4. NP
24,6
24,1
5. NP
24,9
24,0
6. NP
25,3
24,7
Pr m rná hodnota tim(°C)
Teplota ze systému MaR ve strojovn – za ízení 1 (jih)
to1 MaR (°C)
Teplota ze systému MaR ve strojovn – za ízení 2 (sever)
to2 MaR (°C)
Pr m rná hodnota to m MaR (°C)
Rozdíl tim - to MaR = 2 °C
tim
(°C)
23,9
24,1
24,4
24,5
25,1
24,4
22,3
22,6
22,4
Odchalka teploty
odvád ného vzduchu od
teploty vnit ní
Odchylka teploty odvád ného vzduchu
6
5
4
3
2
1
0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Rozdíl teplot privád ného a vnit ního vzduchu
Obr. 9.8: Závislost odchylky idla teploty v odvád ném vzduchu od st ední teploty [K]
na rozdílu teplot odvád ného a p ivád ného vzduchu [K]
Miloš Lain 2007
110
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Rozdíl teploty m ené idlem MaR na vstupu odvád ného vzduchu do klimatiza ní jednotky a
skute ných teplot v prostoru m že být zp soben jak chybou idla, tak ovlivn ním teploty díky
ochlazení odvád ného vzduchu vzduchem p ivád ným v neizolovaných horizontálních rozvodech. P i
analýze nam ených dat (obr. 9.8) bylo zjišt no, že tento rozdíl teplot závisí na rozdílu teploty
p ivád ného a odvád ného vzduchu jen velmi nepatrn a i p i shodné p ivád né a odvád né teplot
z stává hodnota rozdílu stále kladná. Z toho vyplývá, že se jedná o špatnou kalibraci idla systému
MaR. Tato hodnota byla následn upravena.
Dále byl zjišt n rozdíl mezi teplotou venkovního vzduchu m enou systémem MaR a skute nou
teplotou vzduchu v okolí budovy. Z rozdílu vyplývá, že idlo venkovní teploty systému MaR není
ú inn chrán no proti slune ní radiaci a p i intenzívní slune ní radiací ukazuje zna n vyšší hodnoty.
9.3.6
Kontinuální záznamy funkce klimatiza ního systému a analýzy funkce systému
Z kontinuálních záznam
ze systému MaR a vnit ních teplot zaznamenaných
p ístroji Nomad
Datalogger byly vyhodnoceny jednotlivé provozní stavy a provedena analýza funkce systému
klimatizace. Z t chto analýz místních šet ení byla zjišt na ada nedostatk .
Díky net snostem ventil docházelo k paralelnímu oh evu a chlazení v p echodových obdobích, což
byla jedna z p í in vysokých teplot vzduchu v kancelá ích b hem extrémn teplého jara.
Skokové zm ny požadovaných hodnot vnit ní teploty vedly k nestabilit provozu.
Teploty vnit ního vzduchu byly m eny záznamníky teploty (datalogger) v n kolika obdobích, a to jak
ve všech podlažích 3.NP. až 6.NP, tak v referen ním 5.NP. P ístroje byly rozmíst ny ve výši cca 1,8m
nad podlahou na horní ploše sk íní p ibližn v místech ozna ených A až C na schématu obr. 9.5.
Pr b hy teplot v 3. až 5. NP jsou velmi blízké, rozdíly se pohybují v rozmezí 0,5 až 1 °C.
6. NP se odlišuje od ostatních podlaží výrazn ji, a to až cca o 2 °C. Záznamy se velmi dob e shodují
s výsledky manuálních m ení popsaných výše. Rozptyl nam ených hodnot v jednotlivých podlažích
je v rozmezí 1°C.
Z uvedených m ení vyplývá záv r pro 6.NP a ostatní podlaží:
Regulace na jednotnou teplotu p ivád ného vzduchu ve všech podlažích p i konstantním pr toku
vzduchu m že zajistit vyrovnaný pr b h vnit ní teploty v podlažích, ve kterých je p ibližn stejný
charakter zm ny tepelné zát že, tj. ve 2. NP až 5.NP. 6.NP v období bez oslun ní a p i nízké teplot
venkovního vzduchu je pom rn více vychlazováno než ostatní podlaží (2. až 5 NP). Proto i p i
relativn nízkém pr toku vzduchu v tomto období se teplota vnit ního vzduchu liší od ostatních
podlaží jen o cca 1°C. Za intenzivního oslun ní a vyšších teplot venkovního vzduchu je venkovní
tepelná zát ž podstatn vyšší než u nižších pater, a v d sledku toho je p i stejné teplot p ivád ného
vzduchu dosahováno zna n vyšší teploty uvnit prostoru 6.NP. Tento problém lze odstranit bu
zvýšením pr toku vzduchu nad hodnotu odpovídající projektované (1/5 celkového pr toku vzduchu),
nebo instalací dodatkového chladicího systému.
Miloš Lain 2007
111
Nízkoenergetické chlazení budov -
9.3.7
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
P ehled použitých m icích p ístroj
M ení teploty a vlhkosti vzduchu:
Elektronický teplom r Anritsu typ Anritherm HFT 88, idla teploty vzduchu (pevné a pružné
idlo), idlo povrchové teploty
Univerzální m icí p ístroj Ahlborn 2295-2, idlo vlhkosti
Aspira ní Assmann v psychrometr Labora
Sklen ný rtu ový teplom r 0-50 °C/0,1 °C
Datalogger Omega OM-Nomad a OM-SP2000
M ení tlaku:
Elektronický mikromanometr Airflow MEDM 500
Aneroid Metra
M ení rychlosti proud ní (pro stanovení pr toku vzduchu):
Lopatkový anemometr Lambrecht φ 100 mm
9.3.8
Záv r m ení a monitorování
Pro další práce prezentované v této kapitole jsou st žejní tyto záv ry:
•
Teploty vzduchu v jednotlivých podlažích jsou velmi vyrovnané.
•
5.NP lze považovat za reprezentativní pro administrativní ást budovy od 3.NP. do 5.NP.
•
Pr tok vzduchu p ivád ný do 5. NP odpovídá
tvrtin
celkového pr toku vzduchu
p ivád ného do této ásti objektu, což odpovídá projektovanému pr toku.
•
Teploty p ivád ného vzduchu m ené systémem MaR odpovídají teplotám nam eným na
vyústkách.
•
Teploty odvád ného vzduchu m ené systémem MaR neodpovídají vnit ním teplotám
vzduchu.
•
Hodnoty teplot vzduchu m ené záznamníky teploty v referen ních bodech dob e reprezentují
st ední teploty vzduchu v podlaží.
9.3.9
Podklady pro kalibraci modelu
Z hodnot nam ených záznamníky teploty a systémem MaR byly pro 5.NP vyhodnoceny vnit ní
teploty vzduchu a chladící výkony (z pr toku vzduchu a teploty p ivád ného vzduchu). Parametry
vn jšího prost edí (teplota, vlhkost, rychlost a sm r v tru, p ímá a difúzní slune ní radiace) byly
p evzaty z meteorologické stanice Ústavu techniky prost edí (Obr.9.9).
Miloš Lain 2007
112
Nízkoenergetické chlazení budov -
23-IX.
22-IX.
10
21-IX.
-6
20-IX.
12
19-IX.
-4
18-IX.
14
17-IX.
-2
16-IX.
16
15-IX.
0
14-IX.
18
13-IX.
2
12-IX.
20
11-IX.
4
10-IX.
22
9-IX.
6
8-IX.
24
7-IX.
8
6-IX.
26
5-IX.
10
4-IX.
28
Teplota [°C]
Výkony
systému
Vnit ní teplota
vzduchu klimatizace
(m .)
Venkovní teplota vzduchu (lab)
12
3-IX.
Citelný chladicí výkon [kW]
Cladicí výkon (m .)
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Obr. 9.9: Parametry budovy vyhodnocené z nam ených hodnot
9.3.10 Chyby a nejistoty m ených a vyhodnocených hodnot
Chyby m ení teplot vzduchu laboratorními kalibrovanými stín nými teplom ry byly p i zahrnutí jak
náhodných, tak i systematických chyb stanoveny na ±0,1 K. Chyby dlouhodobého m ení teploty
vzduchu kalibrovanými dataloggery jsou ±0,2 K. Chyba m ení pr toku vzduchu vztažené k pr toku
p ivád ného do 5.NP je ±293 m3/h. Z t chto hodnot byla vypo tena chyba nam eného výkonu
±0,7 kW.
Miloš Lain 2007
113
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
9.4 Detailní po íta ové simulace
Detailní po íta ové simulace vybraného podlaží k ídla C budovy slouží pro nalezení optimálního
provozu systému v trání a klimatizace. Simulace byly zpracovány v dob , kdy byla budova již
v provozu, a model byl kalibrován podle nam ených dat.
9.4.1
Model budovy
Jako referen ní bylo zvoleno páté podlaží bloku C budovy. Pro velkoplošnou kancelá v tomto podlaží
byl sestaven po íta ový model (viz obr.9.10) . Simulace byly provád ny programem ESP-r. Podlahová
plocha simulované kancelá e je 595 m2
a objem 1 606 m3.
Stropní deska o
tlouš ce 240 mm je z hutn ného betonu
s žebry, na ní je položena tepelná a
kro ejová izolace. Ta je z minerální
vlny o tlouš ce 80 mm a podlahová
deska 40 mm. Obvodové st ny jsou
t žké betonové o tlouš ce 250 mm
s tepelnou izolací na vn jší stran . Tuto
izolaci tvo í 100 mm minerální vaty se
vzduchovou mezerou a obkladovými
Obr.9.10: Po íta ový model podlaží 5 (bez stol a žeber)
fasádními panely.
N které prvky byly pro pot eby simulací mírn zjednodušeny. Žebrování stropu bylo nahrazeno t emi
fiktivními žebry s povrchovou plochou shodnou s žebry skute nými a s tepelnou hmotou odpovídající
80% tepelné hmoty skute ných žeber. Pracovní stoly byly nahrazeny souvislou deskou. Ve zvolené
ásti budovy je n kolik samostatných kancelá í odd lených sklen nými p í kami. Model byl však
vytvo en jako jednozónový se zanedbáním t chto konstrukcí.
V kancelá i pracuje 52 osob (cca 11m2
celkové podlahové plochy na osobu)
vybavených po íta i
a
LCD
monitory.
Nominální výkon po íta e s monitorem
byl uvažován 190 W. Zadané zisky od
osv tlení odpovídaly 20 W/m2 na ploše
187 m2.
asový profil vnit ních zisk
vychází z b žného využití kancelá e, a to
tak, aby odpovídal osmihodinové pracovní
dob zam stnanc .
Obr.9.11: Pohled na strop a odkrytý kanál p ívodu
vzduchu
Miloš Lain 2007
114
Nízkoenergetické chlazení budov -
9.4.2
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Kalibrace modelu
Kalibrace modelu se používá p edevším pro up esn ní okrajových podmínek, které p i zadání
simulace nejsou známy. P i ešení energetických bilancí klimatizovaných budov jsou takovýmto
parametrem p edevším vnit ní teplené zisky. Jak bylo ukázáno v kapitole 2.3.5, je rozsah reálných
vnit ních zisk pom rn zna ný. Navíc se ukazuje, že b žné podklady používané pro projektování
klimatiza ních systém v tšinou vnit ní zisky volí na horní hranici. Dalším neznámým parametrem
mohou být detailní parametry systému v trání a klimatizace a regulace. Pro kalibraci bylo využito
nam ených hodnot (viz 9.3.9). Kalibrace probíhala ve t ech stupních.
V prvním stupni byl kalibrován pouze model budovy a její vnit ní zát že. V tomto prvním stupni
kalibrace bylo cílem najít takové parametry budovy (p edevším vnit ní zisky), které odpovídají
nam eným pr b h m teplot a chladicích výkon . Pro tuto kalibraci byl použit pouze model budovy,
systém v trání a klimatizace byl reprezentován ideální regulací chladicího výkonu dodávaného p ímo
do vzduchu v zón . Vnit ní teplota ve sledované zón byla nastavena tak, aby její pr b h odpovídal
nam eným hodnotám. Prom nnými, jejichž hodnota byla hledána, jsou p edevším velikost a asové
rozložení
P vodní
Po kalibraci
zisk .
30
28
Cílem kalibrace je
26
najít
24
Tepelná zát ž [W/m 2]
vnit ních
sou initel
22
korigující
20
vnit ních zdroj tak,
18
aby bylo dosaženo
16
14
tém
12
hodnot
10
výkon
shodných
chladicího
výkonu, a to jak
8
6
celkové
4
chladu, tak pr b hu
2
chladicích
0
0
3
6
9
12
Hodina
15
18
21
24
spot eby
výkon
(obr. 9.13).
Obr. 9.12: Vnit ní zisky kancelá e p ed a po kalibraci
Z nam ených hodnot byl vyhodnocen chladicí výkon podle rozdílu teplot p ivád ného a odvád ného
vzduchu a pr toku.
Profil vnit ních zisk p ed a po kalibraci reprezentuje obrázek 9.12. Sou initel použitý pro korekci
nominálních výkon po íta
a monitor je 50 %. Výsledná hodnota 17,2 W/m2 je pom rn nízká. Je
to zp sobeno áste n tím, že výkon je vztažen na celkovou podlahovou plochu kancelá e v etn
komunikací. V dob zpracování projektu m ly po íta e nižší tepelné výkony a byly b žn používány
CRT monitory a s tím bylo po ítáno i v prvních simulacích. V této budov byly však všude použity
Miloš Lain 2007
115
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
malé LCD panely, které mají výrazn nižší tepelný výkon. Navíc po et osob pracujících na tomto
podlaží byl nakonec nižší, než bylo p vodn p edpokládáno (místní šet ení ukázalo celkem 44 osob).
Druhým parametrem, který byl p i kalibraci modelu budovy sledován, bylo ešení sou initele p estupu
tepla konvekcí u betonového stropu a žeber. P i standardním ešení se v simula ním programu
používají vztahy pro výpo et sou initele p estupu tepla (hc) odvozenýé z p irozené konvekce pod
stropní deskou. V p ípad , že dochází v prostoru k nucenému proud ní, je p estup tepla konvekcí u
stropu výrazn vyšší (viz 2.5.2, Zmrhal 2005, Beausoleil-Morrison 2000). Celkem bylo v rámci
kalibrace zpracováno 25 variant provozu. Výsledné varianty jsou prezentovány v grafech na obrázku
9.13.
P i porovnávání výsledk simulace budovy s nam enými parametry systému nelze o ekávat detailní
shodu pr b hu chladicích výkon . Rozdíly jsou dány jak nejistotou m ení, tak výrazným
zjednodušením chování systému v trání a klimatizace v tomto stupni simulace. Jako základní parametr
shody byl zvolen celkový chladicí výkon p ivedený do prostoru za vybrané referen ní období. Cílem
bylo i dosažení p ibližné shody pr b hu vnit ních teplot a pr b hu chladicích výkon v referen ním
období.
Zajímavý je vliv sou initele p estupu tepla konvekcí. P i použití standardního sou initele je shoda
pr b hu chladicích výkon a celkové dodané energie, ale výrazn vyšší teplota stropu a podlahy. U
výsledk s vyšším p estupem tepla konvekcí jsou teploty stropu a podlahy tém
vzduchu, ale pr b h chladicích výkon
shodné s teplotou
je výrazn odlišný, a to p edevším v no ních hodinách.
Vzhledem k tomu, že nam ené hodnoty povrchových teplot stropu se blížily teplotám vzduchu
(kontrolní m ení 2004), byl pro další výpo ty použit model se zvýšenými sou initeli p estupu tepla
konvekcí.
Miloš Lain 2007
116
30
Citelný chladicí výkon [kW]
28
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Cladicí výkon (m .)
Chladicí výkon (sim.)
Vnit ní teplota vzduchu (m .)
Vnit ní teplota vzduchu (sim.)
Teplota stropu (sim.)
Teplota podlahy (sim.)
29
26
28
24
27
22
26
20
25
18
24
16
23
14
22
12
21
10
20
8
19
6
18
4
17
2
0
5-IX.
Citelný chladicí výkon [kW]
30
16
102%
6-IX.
7-IX.
8-IX.
9-IX.
Teplota [°C]
Nízkoenergetické chlazení budov -
10-IX.
11-IX.
12-IX.
15
13-IX.
Cladicí výkon (m .)
Chladicí výkon (sim.)
30
Vnit ní teplota vzduchu (m .)
Vnit ní teplota vzduchu (sim.)
30
28
Teplota stropu (sim.)
Teplota podlahy (sim.)
29
26
28
24
27
22
26
20
25
18
24
16
23
14
22
12
21
10
20
8
19
6
18
4
17
114%
2
0
5-IX.
6-IX.
7-IX.
8-IX.
9-IX.
10-IX.
16
11-IX.
12-IX.
15
13-IX.
Obr. 9.13: Pr b hy teplot vzduchu a chladicích výkon b hem referen ního období v porovnání
kalibrovaného modelu budovy a nam ených dat pro standardní ešení hc (naho e)
a hc s uvažováním nuceného proud ní (dole)
Miloš Lain 2007
117
Nízkoenergetické chlazení budov -
9.4.3
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Model systému klimatizace
V dalším stupni byl model budovy rozší en o model systému v trání a klimatizace. V programu ESP-r
byly ešeny samostatn pr toky vzduchu (flow network) a energetické toky p edávané v systému
(plant network). Ob tyto sít byly ešeny paraleln spolu s budovou.
t
Venkovní
vzduch
potrubí bypassu
6
potrubí ZZT
6
t
ventilátor
bypass
3
Ventilátor
Regulace
prutoku on/off
casový plán
ZZT
3
prutok
Regulace
pr toku on/off
prutok
casový plán
node 1
Zp tné
získávání
tepla
12
sm š.
box
1
chlad
Regulace
teploty
PID
Chladi
4
t
Potrubí
6
Z
Ó
N
A
Potrubí odvodu
6
Obr. 9.14: Schéma modelu systému v traní a klimatizace s ozna ením komponent programu ESP-r
Venkovní vzduch je p ivád n p es komponentu potrubí (izolované ocelové potrubí délky 10 m) do
komponenty vým ník zp tného získávání tepla (plocha vým níku je 40 m2 a byla nastavena tak, aby
ú innost vým níku odpovídala hodnot udávané výrobcem). Dále je osazen chladi (je použit model
p edpokládající p ímé p edávání chladicího výkonu do vzduchu) a ventilátor s prom nným pr tokem
vzduchu (v základním provozu dv hodnoty 0,6 nebo 1,2 m3/h - podle asového programu). Chladi je
ovládán PID regulací dle teploty vzduchu v zón . Další regulace ovládá obtok (bypass) zp tného
získávání tepla. Vzhledem k omezeným možnostem programování systém v programu ESP-r, bylo
zprovozn ní modelu nesmírn
asov
náro né a bylo provád no p ímo na pracovišti ESRU
Strathclyde University. Po íta ové simulace budovy byly provád ny s krokem 10 minut a simulace
klimatiza ního systému s krokem jedna minuta.
Model budovy se systémem v trání a klimatizace byl op t kalibrován podle nam ených dat
referen ního týdne. Základním parametrem kalibrace bylo jak nastavení regulace teploty, tak
modifikace systému. V modelu systému byly krom jiného upraveny okrajové podmínky na vstupním
potrubí tak, aby byla zohledn na vyšší teplota nasávaného venkovního vzduchu v blízkosti budovy
oproti referen ní teplot na meteorologické stanici. Výsledný pr b h teplot a chladicích výkon
je
znázorn n na obrázku 9.15. Z obrázku je patrná velmi dobrá shoda jak chladicích výkon , tak
vnit ních teplot vzduchu po v tšinu referen ního období. Vzhledem k chybám m ení a nutnému
mírnému zjednodušení modelu lze íci, že výsledný model reprezentuje chování budovy a jejího
klimatiza ního systému.
Miloš Lain 2007
118
Nízkoenergetické chlazení budov -
30
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Vnt ní teplota vzduchu (m .)
Vnit ní teplota vzduchu (sim.)
Chladicí výkon (m .)
Chladicí výkon (sim.)
18
111%
26
16
24
14
22
12
20
10
18
8
16
6
14
4
12
2
10
5-IX.
6-IX.
7-IX.
8-IX.
9-IX.
10-IX.
Citelný chladicí výkon [kW]
Teplota vzduchu [°C]
28
20
0
12-IX.
11-IX.
Obr. 9.15: Pr b hy teplot vzduchu a chladicích výkon b hem referen ního období pro výsledný
kalibrovaný model budovy a systému
Venkovní teplota vzduchu (sim.)
Hmotnostní pr tok vzduchu Cool
Hmotnostní pr tok vzduchu fan_R
|
Hmotnostní pr tok vzduchu fan_B
VZT celkový pr tok vzduchu
30
|
|
1.4
29
1.2
Pr tok vzduchu [kg/s]
28
1
27
26
0.8
25
0.6
24
23
0.4
22
0.2
21
20
13-IX.
12-IX.
11-IX.
10-IX.
9-IX.
8-IX.
7-IX.
6-IX.
5-IX.
4-IX.
3-IX.
0
Obr. 9.16: Pr b hy pr tok vzduchu b hem referen ního období pro výsledný kalibrovaný model
budovy a systému - porovnání p edpoklad z m ení a výsledk simulace
Miloš Lain 2007
119
Nízkoenergetické chlazení budov -
9.4.4
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Simulace chování budovy a systému v trání a klimatizace
Dalším krokem bylo použití kalibrovaného modelu budovy a systému pro optimalizaci provozu. Pro
optimalizaci provozu bylo použito letní období (kv ten až zá í) s využitím typických referen ních
klimatických dat (TRY). P i optimalizaci je hledán takový provoz systému v trání a klimatizace, který
zajistí tepelnou pohodu pracovník p i minimální spot eb energie.
Bylo vypracováno a následn porovnáváno základních jedenáct variant provozu systému. Varianty 0
až 5 se liší pr toky vzduchu v denních a no ních hodinách. Ve variantách 6 až 10 je pak postupn
omezován chladicí výkon chladi e. Extrémem je varianta 10, kdy je maximální výkon chladi e
nulový, budova je provozována pouze v režimu no ního chlazení.
V rámci optimalizace jsou používány 3 varianty pr toku vzduchu (vychází ze skute nosti, že v trání
objektu zajiš ují dv klimatiza ní jednotky a každá má dva základní provozní stavy). Maximální
pr tok obou jednotek odpovídající jednomu patru je 1,49 m3/s, minimální pr tok odpovídá 0,62 m3/s a
provozu jedné jednotky na max. pr tok a druhé na min. pr tok odpovídá 1,06 m3/s.
Po átek denního provozu byl ve v tšin variant volen v 5:00 hod., jen ve variant
3 za ínal denní
provoz až v 8:00 hod. Konec denního provozu je v prvních t ech variantách ve 22:00 hod. a
v ostatních variantách je uvažován ve 20:00 hod. Krom denní a no ní doby provozu je volen rozdílný
pr tok vzduchu v dob energetických špi ek, tj. v dob , kdy je venkovní teplota vzduchu vyšší než
teplota požadovaná v klimatizovaném prostoru. Citelný výkon chladi e byl v prvních variantách cca
20 kW a pro varianty 6 až 8 byl postupn omezován na 15, 10 a 5 kW. Vzhledem k výraznému
zvýšení vnit ních teplot pro variantu s chladicím výkonem max. 5 kW byla dopln na varianta
s chladicím výkonem omezeným na 7 kW. Základními
výsledky simulací jsou pro každou variantu pr b hy
4500
2
ventilátor pro jednotlivé pr toky vzduchu.
y = 231.75x +
4000 1088.3x + 1082.7
2
R = 0.9888
Tyto hodnoty jsou dále p evedeny na spot ebu el.
3500
citelných chladicích výkon (jak chladi e, tak v trání),
energie. Spot eba el. energie na strojní chlazení je
provedena
integrací
citelných
chladících
výkon
zvýšených o 20% na latentní teplo odvedené díky
P íkon [W]
vnit ních teplot vzduchu a po ty hodin provozu
3000
2500
kondenzaci vlhkosti na chladi i a vyd lených chladicím
faktorem
3.
Spot eba
el.
energie
2000
ventilátor
klimatiza ních jednotek vychází z podklad výrobce a
projektu rozvod
vzduchu. Tlaková ztráta rozvod
a
1500
0.5
1
1.5
2
klimatiza ní jednotky je p i plném pr toku 950 Pa. Pro 5
Pr tok vzduchu [kg/s]
hodnot pr tok vzduchu a jim odpovídajícím tlakovým
Obr.9.17: Závislost p íkonu ventilátoru na
pr toku vzduchu
ztrátám
byla
vyhodnocena
závislost
el.
p íkonu
ventilátoru na pr toku vzduchu vztažená na jedno podlaží. Proložená závislost je polynom druhého
Miloš Lain 2007
120
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
ádu. Tímto polynomem byly p epo teny hodnoty pr toku vzduchu ventilátorem na el. p íkon a
integrovány p es letní období.
Samostatnou variantou je varianta ozna ená FC. Tato varianta slouží pro porovnání stávajícího
vzduchového systému s fiktivním systémem ventilátorových konvektor (Fan-Coil), který se b žn
používá pro administrativní budovy. Vzduchotechnický systém zajiš uje pouze p ívod hygienického
minima vzduchu (50 m3/h na osobu, tj. celkem 0,72 m3/s) v dob od 7:00 do 21:00. P edpokládá se
ponechání stávajícího systému v trání a klimatizace. Ten m že zajistit p i sníženém pr toku citelný
chladicí výkon max. 8,7 kW a zbylých max. 18,8 kW bude odvedeno osmi ventilátorovými
konvektory (zvolen typ HFC 5). Požadovaná teplota byla nastavena na 24,5 °C. Spot eba el. energie
pro výrobu chladu je podob jako u vzduchového systému vypo tena za p edpokladu 20% podílu
vázaného tepla a chladicího faktoru 2,5. Spot eba el. energie na pohon ventilátor
se skládá
ze spot eby centrální jednotky pro p ívod erstvého vzduchu (v provozu jen v pracovní hodiny) a ze
spot eby ventilátor cirkula ních jednotek 914 W. Tyto hodnoty jsou integrovány pro celé simulované
období.
Výsledky všech variant jsou znázorn ny v tabulce 9.6 a v grafu na obrázku 9.18.
Vzhledem k tomu, že
ást variant byla ešena s omezeným chladicím výkonem, jsou výsledky
dopln ny i o etnosti výskytu teplot vzduchu (obr.9.19).
Chlazení
14 000
Ventilátor
Spot eba el. energie [kWh]
12 000
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 FC
Varianta
Obr.9.18: Porovnání spot eby el. energie jednotlivých variant provozu
Miloš Lain 2007
121
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tabulka 9.6: Porovnání jednotlivých variant provozu
Varianta
provozu
Za átek denního
provozu
Konec denního
provozu
Pr tok vzduchu den
Pr tok vzduchu noc
Pr tok vzduchu
ve špi kách
Max. výkon
chlazení
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
FC
h.
5
5
5
8
5
5
5
5
5
5
5
7
hod.
22
22
22
20
20
20
20
20
20
20
20
21
m /s
3
1.06
1.49
1.49
1.49
1.49
1.49
1.49
1.49
1.49
1.06
1.06
0.72
m /s
3
0.62
0.62
0.62
0.62
0.62
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
0
m /s
3
1.06
1.49
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
1.06
0
kW
ne
ne
ne
ne
ne
ne
15
10
5
7
0
ne
Výsledky
Celková spot eba
chladu
Pr m rná teplota
vzduchu
Pr m. teplota
vzduchu (*)
Max. teplota
vzduchu (*)
Min. teplota
vzduchu (*)
Spot eba chladu
chladi e
Maximální výkon
chladi e
Pr m. teplota
p iv.vzduchu(*)
Po et hodin
provozu chladi e
kWh
19 490 20 204 19 531 19 283 19 479 19 906 19 844 19 699 19 447 19 554 18 691 12 844
°C
23.1
22.5
23.0
23.2
23.1
22.7
22.7
22.8
23.1
22.9
23.8
23.7
°C
23.5
22.9
23.5
23.7
23.5
23.2
23.3
23.4
23.7
23.6
24.5
24.0
°C
26.3
25.8
25.8
25.9
25.8
25.8
26.1
26.9
28.9
28.0
31.7
24.5
°C
18.6
17.0
18.6
19.4
18.7
17.8
17.8
18.3
18.3
18.3
18.3
18.6
kWh
8 079
6 274
8 050
9 062
8 224
6 695
6 412
5 789
4 333
5 124
0
12 843
kW
19.6
19.6
19.8
19.8
19.8
19.6
14.9
10.1
5.2
7.0
0.0
27.4
°C
17.3
18.6
18.1
17.8
18.1
18.5
18.6
19.0
19.8
19.1
21.3
hour
972
734
932
1 055
958
819
861
967
1 172
1 075
118
1 528
8 914 10 620 9 207
8 743
9 115
9 842
9 842
9 841
9 839
9 549
9 546
5 034
3 232
3 625
3 290
2 678
2 565
2 315
1 733
2 050
6
5 137
Spot eba el.
kWh
ventilátor
Spot eba el.
kWh
chlazení
Celková spot eba
kWh
el.
Spot eba el.
chlazení
Celková
spot eba el.
2 510
3 220
12 145 13 130 12 427 12 368 12 405 12 520 12 407 12 157 11 573 11 598 9 552 10 171
129%
100%
128%
144%
131%
107%
102%
92%
69%
82%
82%
205%
93%
100%
95%
94%
94%
95%
94%
93%
88%
88%
73%
77%
etnosti teplot (*)
mén n ž 20
h
0
11
0
0
0
3
3
3
3
3
3
od 20 do 22
h
66
173
66
27
60
117
115
115
111
113
85
od 22 do 24
h
390
459
396
355
387
432
423
385
345
356
277
od 24 do 26
h
793
611
792
872
807
702
710
717
600
665
390
od 26 do 28
h
5
0
0
0
0
0
3
34
184
117
330
více než 28
h
0
0
0
0
0
0
0
0
11
0
169
(*) vztaženo na pracovní dny a hodiny
Miloš Lain 2007
122
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
100%
Kumulativní etnost teplot nižších než
90%
80%
Varianta
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Teplopta vzduchu [°C]
Obr.9.19: Kumulativní etnosti vnit ních teplot vzduchu pro jednotlivé varianty
9.4.5
Záv r detailních simulací
Z prezentovaných výsledk detailní po íta ové simulace je patrné, že r zné režimy provozu výrazn
neovliv ují celkovou spot ebu elektrické energie. Varanty 0, 2, 3, 4, 5 mají tém
shodnou celkovou
2
spot ebu el. energie (21 kWh/m ), i když se liší podíl spot eby na chlazení a na pohon ventilátor .
Mírn vyšší spot ebu má varianta 1 s vysokými pr toky vzduchu. K poklesu spot eby el. energie
dochází až p i omezování chladicího výkonu. Za optimální lze považovat variantu 9, kde byl citelný
chladicí výkon omezen na 7 kW (11,7 W/m2) a teploty vzduchu nep ekro í 28 °C. Z výsledk je
z ejmé, že systém „Top-cooling“ kombinující denní i no ní v trání, vysokou tepelnou hmotu budovy a
strojní chlazení je t eba provozovat v režimu s omezenou kapacitou chlazení, kdy dochází ke kolísání
vnit ních teplot. Detailní simulace potvrdily i pot ebu strojního chlazení. P i režimu bez chlazení
dochází k p ekro ení teplot odpovídajících tepelné pohod i p i použití adaptivního modelu tepelné
pohody pro neklimatizované budovy. To je zp sobeno áste n i relativn malým pr tokem v tracího
vzduchu, pro no ní v trání se doporu ují intenzity dvojnásobné.
P i porovnání spot eb el. energie s alternativním ešením ventilátorovými konvektory se ukazuje, že
vzduchový systém má ve všech provozech s chlazením vyšší spot ebu elektrické energie, a to i když
instalovaný chladicí výkon je výrazn
nižší. To je zp sobeno vysokou spot ebou el. energie
ventilátor . Tento problém je b žný (viz kapitola 5), pro systémy no ního v trání by m ly být tlakové
ztráty rozvodu vzduchu malé.
Miloš Lain 2007
123
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
9.5 Záv r
Tato p ípadová studie prokázala možnosti detailního
ešení systému v trání a klimatizace
administrativní budovy metodou po íta ové simulace. Kalibrovaný model ásti budovy a systému
v trání a klimatizace byl použit pro optimalizaci provozu i hledání obecných záv r .
Pro hybridní systémy kombinující pasivní prvky (stín ní, vysoká tepelná hmota budovy, no ní v trání)
a klimatiza ní systém (nucené v trání, strojní chlazení) je d ležité správn dimenzovat kapacitu zdroje
chladu. Taková budova by m la být provozována v režimu, kdy dochází ke zm nám vnit ní teploty dle
venkovní teploty.
Spot eba el. energie ventilátor p edstavuje zna ný podíl celkové spot eby el. energie na chlazení, a
proto je d ležité navrhovat vzduchotechnickou sí a klimatiza ní jednotky s nízkou tlakovou ztrátou.
Vhodné je použití p irozeného v trání nebo kombinovaného nuceného a p irozeného v trání.
Miloš Lain 2007
124
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10 Rozsáhlá administrativní budova - SOB Group
V této p ípadové studii jsou prezentovány jak po íta ové simulace použité p i návrhu a optimalizaci
systému v trání a klimatizace velmi rozsáhlé administrativní budovy v Praze, tak uvád ní tohoto
systému do provozu a provád né rozsáhlé monitorování. Budova má kvalitní vn jší stín ní,
neizolované betonové stropy a rozsáhlý vzduchový systém, který umož uje i no ní v trání.
10.1 Popis budovy
Úst edí SOB Group v Praze 5 je architektonicky i funk n unikátní budovou. Stavba má p dorys 220
x 75 m. Jedná se o jeden z nejv tších dosavadních developerských projekt v historii eské republiky.
Výstavba byla zahájena v roce 2005, kolaudace prob hla na ja e roku 2007. Objekt poskytuje pracovní
místa pro více než 2500 zam stnanc .
Obr. 10.1: Typické podlaží : 1 - velké atrium, 2 - malé atrium, 3 - sv tlík
Budova je osmipodlažní, z toho p t nadzemních a t i podzemní podlaží. Hlavní podélná osa je, co se
tý e orientace na sv tové strany, vedena ve sm ru východ–západ. Objekt je umístn n ve volném
prostoru. Hlavní vstup do budovy je umíst n ve východní stran p ímo u výstupu ze stanice metra
Radlická. Další vchody jsou na stran západní a u vjezdu do garáží. V p vodních plánech výstavby
Miloš Lain 2007
125
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
byla uvažována ty i identická nadzemní podlaží. Od této myšlenky bylo upušt no a z kapacitních
d vod se vystav lo patro páté s ustupujícím p dorysem.
Objekt jako celek je možno za adit do kategorie st edn t žkých staveb s akumula ní schopností do
nosných železobetonových konstrukcí, kterými jsou stropy, podlahy a nosné sloupy. Obvodový pláš
je z p evážné ásti prosklený, dopln ný lehkými st nami. Z vn jší strany je sklen ná fasáda dopln na
stavitelnými žaluziemi a d ev ným dekora ním obložením.
Objekt je p dorysn rozd len na šest sekcí A až F. Má t i velké atria se zasklenou st echou, která
navazují na prostory dvorany. Ze zasedacích místností a kancelá í je výhled do malých otev ených
atrií, která procházejí všemi patry. Hlavním kontrastem k zvoleným materiál m st n (p evážn surový
beton, p ípadn bílá omítka), sklen né fasád a šedé podlahové krytin , je velké množství zelen ,
sloužící v horních patrech i jako ochrana proti slune nímu zá ení. Vstupní prostory dvorany tvo í
prostory reprezentativní a komunika ní, tj. recepce, jídelna, kavárna a oddychové zóny. Pracovní místa
zam stnanc jsou rovnom rn rozmístn na ve velkoplošných kancelá ích. V okrajových ástech u
malých a velkých atrií nalezneme menší zasedací místnosti, konferen ní místnosti a samostatné
kancelá e pro vedoucí pracovníky. Zázemí zam stnanc (WC a kuchy ky, šatny, úklidové místnosti)
jsou soust ed ny u výtah a prostor schodiš . Specifickou ástí budovy je 5. NP. V rámci myšlenky
zelené budovy byly na st echu vysázeny terasovité venkovní zahrady s množstvím listnatých strom ,
které jsou p ístupné zam stnanc m.
Budovu tvo í nosný železobetonový skelet a vnit ní vyzdívané st ny z tvárnic Ytong. Obvodový pláš
je z v tší ásti prosklený, dopln ný lehkými st nami s otevíratelnou št rbinou. Delší fasády objektu
jsou orientovány na jih a na sever. Všechny prosklené plochy orientované na jižní, východní a západní
sv tovou stranu jsou proti p ímé slune ní radiaci stín né horizontálním stínicím prvkem. Prostor atrií
je opat en proskleným zast ešením, které je rovn ž pln zastín no.
10.1.1 Technický popis základních ástí VZT systému
P i koncepci systému v trání a klimatizace bylo dodrženo rozd lení budovy do šesti sekcí A až F.
Toto d lení do jednotlivých sekcí je nikoliv podle podlaží, ale podle p dorysných celk .
V jednotlivých sekcích zajiš uje distribuci upraveného vzduchu jak systém s prom nným pr tokem
vzduchu (VAV boxy) pro vnit ní zasedací místnosti a velkoplošné kancelá e, tak systém s konstantním
pr tokem vzduchu (VAC boxy) propojeným s cirkula ními konvektorovými jednotkami (dále jen
FCU) u obvodové fasády. FCU pracují s cirkula ním vzduchem s ty trubkovým zapojením, které
umož uje jak chlazení, tak i vytáp ní (obr.10.2). Veškerý potrubní systém je umíst n v podlaze,
stejn jako koncové prvky (podlahové vy st VAV systému i podlahové konvektorové jednotky
(FC)). Koncové prvky mají možnost t ístup ové regulace, FCU zm nou otá ek, VAV boxy stupn m
pootev ení regula ní klapky. Regulace umož uje v p ípad individuální pot eby možnost vypnutí FCU
nebo VAV boxu, p i emž však z stává zaru en p ívod minimální hygienické dávky
erstvého
vzduchu na osobu. Na st eše každé sekce je umíst na dvojice klimatiza ních jednotek (dále VZT) pro
Miloš Lain 2007
126
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
p ívod a odtah vzduchu. Tyto jednotky zajiš ují p ívod tepeln upraveného vzduchu pro celou sekci
(velkoplošné kancelá e, zasedací místnosti, konferen ní místnosti i zázemí). P ívodní i odtahové
ventilátory jednotek jsou opat eny frekven ními m ni i otá ek. Odtah odpadního vzduchu je ešen z
ásti p es zázemí pracoviš (WC, kuchy ky, sklady a pracovišt IT) jednou jednotkou, v tšina
vzduchu je však odsávána p es malá a velká atria (Ivanová 2007). Celkem m že být do každé sekce
p ivedeno až 12 m3/s vzduchu. Pro 6 sekcí to dohromady p edstavuje 72 m3/s, což odpovídá intenzit
v trání 1,65 1/h. Maximální pr tok odpovídá dvojnásobku hygienického minima (50 m3/h na osobu).
Obr. 10.2: Schéma systém klimatizace budovy – jedna sekce (A)
Miloš Lain 2007
127
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10.2 Po íta ové simulace
V rámci projektu
SOB kladl odborný konzultant již od za átku velký d raz na nízkoenergetickou
koncepci budovy. Vzhledem k tomu, že konzultantem byla pro všechny stupn
ešení jedna osoba,
poda ilo se tyto zásady dodržet. Základním nástrojem pro hledání optimálních ešení jsou po íta ové
simulace a studie.
Pro objekt
SOB byly pro návrh energetické koncepce budovy a optimalizaci jednotlivých prvk
zpracovány celkem ty i studie. První, velmi rozsáhlá studie „Environmental Strategy AssessmentCSOB Headquarters, Prague“ byla zpracována v roce 2004 firmou Buro Happold. Tato komplexní
studie nastavila základní parametry budovy a koncepce systém s ohledem na energetické bilance,
osv tlení, akustiku a proud ní (McLaughlin 2004). V dalším stupni byly následn vypracovány t i
energetické po íta ové simulace zam ené na optimalizaci zdroje chladu, ov ení koncových prvk
klimatizace a optimalizaci zasklení st ech atrií.
10.2.1 Energetická simulace celé budovy
Model celé budovy pro energetické bilance byl výrazn zjednodušen (Lain 2005). Model je vytvo en
pouze pro nadzemní podlaží a atria. Ve studii je použito celkem 12 typ dvojskel a 1 jednoduché sklo.
Z hlediska tepelných a radia ních vlastností se jedná o 10 typ zasklení. Pro tato zasklení byl ze
zadaných propustností, odrazivostí a pohltivostí p i kolmém dopadu slune ní radiace stanoven pr b h
t chto vlastností v závislosti na úhlu dopadu slune ní radiace. Simula ní model uvažuje použití
stínících prvk
na všech fasádách, krom severní fasády a st ech atrií. Tyto stínicí prvky byly
navrženy tak, aby v letním období nebyly fasády vystaveny p ímé slune ní radiaci.
Hodnoty vnit ních tepelných zát ží vycházely z podklad projektanta a investora, p i emž max. zát ž
pro velkoplošné kancelá e odpovídá
49 W/m2
(vztaženo
kancelá í). Toto
na
plochy
íslo je pom rn
velké, což je zp sobeno p edevším
uvažováním
s tepelným
uvažovanou
výkonných
výkonem
po íta
210 W
rezervou).
(s
Vnit ní
tepelná zát ž vztažená na celkovou
plochu podlah jednotlivých podlaží
byla potom 35 až 39 W/m2. Denní
profil
je
pom rn
vyrovnaný,
s maximální zát ží od 8:00 do 18:00 a
mírným raním náb hem, poledním
útlumem a ve erním dob hem.
Miloš Lain 2007
Obr. 10.3: Zjednodušený model budovy pro energetické
simulace
128
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Vzhledem k tomu, že hlavní d raz byl kladen na celkovou energetickou bilanci budovy, byla
simulace provedena pro celou budovu rozd lenou na zóny podle podlaží. V 1.PP – 2.PP byly do
simulace zahrnuty pouze ásti propojené s atrii. 5.NP bylo vzhledem ke geometrii modelu rozd leno
na dv zóny. Prostor budovy byl tedy rozd len celkem na 7 zón. Model budovy byl z d vod
technických možností programu zjednodušen (obr. 10.3). Vlastní tvar zón se tudíž pln neshoduje s
tvarem budovy, ale všechny základní fyzikální charakteristiky (p dorysná plocha, plochy jednotlivých
fasád a jejich objem) z stávají zachovány. Tato metodika umož uje modelov
ešit daný úkol p i
zachování energetických bilancí.
Pro v trání objektu se p edpokládá p ívod erstvého venkovního vzduchu jehož pr tok odpovídá
hygienickým požadavk m. Do atria je krom toho p ivád n i vzduch ze sousedních zón. V modelu je
zahrnut p ívod erstvého vzduchu do jednotlivých zón a p ívod vzduchu do atria ze všech zón. Tato
koncepce modelu zahrnuje tudíž energie pot ebné na tepelnou úpravu p ivád ného erstvého vzduchu.
Ve výsledcích není zahrnuto latentní teplo vzniklé kondenzací na reálném chladi i, ani tepelné zisky
ventilátor a ztráty potrubních rozvod . V trání v základní variant se p edpokládá pouze v dob
užívání kancelá í.
Energetické simulace budovy byly provedeny v programu ESP-r pro 8 variant provozu a typický
klimatický rok pro Prahu (TRY). Uvažováno bylo letní období od 1.5. do 31.9. Výsledky jsou shrnuty
v tabulkách 10.1, 10.2 a v grafu na obrázku 10.5. Ukázka pr b hu teplot pro vybrané varianty je
demonstrována na obrázku 10.4.
Tab. 10.1: Varianty ešení a výsledky po íta ových simulací.
Teplota
mimo
v prac.
prac.
dob
dobu
Chlazení
Víkend
No ní
v trání
Omezení
chladicíh
o výkonu
Max. citelný
Spot eba chladu
chladicí výkon
pro léto
pro celou budovu
kW
MWh
Var.
Ozna ení
1
Stále 24
24
24
NE
NE
NE
2 851
100% 1 599
100%
2
Stále 26
26
26
NE
NE
NE
2 543
89%
1 181
74%
3
Prac 24
24
NE
NE
NE
NE
2 964
104%
1 542
96%
4
Predch 22
22,24
22
NE
NE
NE
2 686
94%
1 676
105%
5
Postup 26
22-26
22,24
NE
NE
NE
2 666
94%
1 518
95%
6
Omez 24
Nocni
+ Omez
Nocni
+24
24
24
NE
NE
80%
2 319
81%
1 592
100%
24
24
NE
ANO
80%
2 317
81%
1 222
76%
24
24
NE
ANO
NE
2 774
97%
1 228
77%
7
8
Tab. 10.2: Max. teploty vzduchu v jednotlivých podlažích pro varianty s omezeným chlazením
Var. Ozna ení
Atrium
1NP
2NP
3NP
4NP
5NP
6
Omez 24
25.8
26.2
26.0
25.9
26.1
24.0
7
Nocni+Omez
25.5
25.9
25.6
25.5
25.9
24.0
Miloš Lain 2007
129
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
VARIANTA 1 – Stále 24
Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu na 24 °C po celých 24 hodin v pracovní dny byla zvolena
jako varianta základní. Jak je patrné z tab. 10.1., maximální pot ebný citelný chladicí výkon je
2850 kW a spot eba chladu 1599 MWh. Teplota v jednotlivých kancelá ských podlažích z stává na
konstantní hodnot , pouze v atriu a v 5.NP. v noci poklesne. Tomu odpovídá i pot eba chlazení ve
v tšin pater 24 h denn . Lze p edpokládat, že akumula ní schopnost st n se projevuje pohlcováním
sálavé složky tepelných zisk b hem dne a jejich uvol ováním konvekcí v noci. Teploty b hem
soboty a ned le z stávají ve v tšin podlaží do 30 °C, pouze v „lehkém“ 5.NP rostou až ke 40 °C. To
odpovídá p edpokládané reakci pom rn masivní budovy s dobrým stín ním do 4.NP oproti stavu v
5.NP bez pot ebné akumula ní hmoty. Tepelné zisky jsou v jednotlivých podlažích tém
shodné,
mírn se zvyšují v posledním 4. NP.
VARIANTA 2 – Stále 26
Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu na 26 °C po celých 24 hodin v pracovní dny je velmi
podobná p edchozí variant , jen hodnoty chladicích výkon jsou nižší.
VARIANTA 3 – Prac 24
Tato varianta odpovídá režimu chlazení pouze v pracovní dob . Tento režim je asto volen v
klimatizovaných prostorách. Porovnání variant však ukazuje, že takový provoz klimatizace v budov s
nezanedbatelnou hmotou pro tepelnou akumulaci, má nejvyšší požadavky na výkon zdroje chladu. A
spot eba chladu je pouze o 4 % nižší, než p i nep etržitém chlazení. Tento režim nelze pro daný objekt
v žádném p ípad doporu it.
VARIANTA 4 – Predch 24
Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu 24 °C v dob od 9:00 do 21:00 a p edchlazením na 22
°C po zbytek dne a noci p edstavuje ur ité jednoduché p edchlazení. Výsledný max. pot ebný chladicí
výkon se opravdu díky akumulaci budovy snížil o 6 %, ale spot eba chladu je nejvyšší ze všech
srovnávaných variant.
VARIANTA 5 – Postup 26
Tato varianta navazuje na p edchozí s tím rozdílem, že byl nastaven postupný nár st požadované
teploty vzduchu z 22 °C na 24 °C a 26 °C. Toto asové rozložení bylo voleno s ohledem na snížení
max. pot ebných chladicích výkon . Výsledný maximální pot ebný citelný chladicí výkon je mírn
nižší, než v p edchozí variant . Použitá metoda postupných krok s ideální regulací teploty však pln
neodpovídá realit klimatiza ního systému, proto bylo p istoupeno k variant 6.
VARIANTA 6 – Omez 24
Koncepce této varianty je v zásad odlišná od variant p edchozích. Teplota vzduchu byla, stejn jako
ve variant 1 nastavena v pracovní dob na 24 °C po celých 24 hodin, ale chladicí výkon ve všech
podlažích krom atria byl omezen na 80 % výkonu vypo teného ve variant 1.
Miloš Lain 2007
130
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tato koncepce lépe reprezentuje skute nost, kdy je výkon zdroje chladu nižší, než pot ebný výkon,
p i emž teplota vzduchu p i extrémních zát žích roste. Akumulace tepla (chladu) budovou zp sobuje
pozvolný r st teploty. Výsledky této varianty ukazují, že p i takto omezeném chladicím výkonu je
max. zvýšení teploty vzduchu v prostoru cca 2 K a teploty vzduchu se ve špi kách pohybují kolem
26 °C. Maximální pot ebný citelný chladicí výkon je velmi nízký a spot eba chladu je tém
shodná se
základní variantou.
1NP t
2NP t
3NP t
4NP t
5NP t
Atrium t
Venkovní
34
Teplota vzduchu [°C]
32
30
28
26
24
22
20
12.7
13.7
14.7
15.7
16.7
17.7
18.7
19.7
Den
1NP t
2NP t
3NP t
4NP t
5NP t
Atrium t
Venkovní
34
Teplota vzduchu [°C]
32
30
28
26
24
22
20
12.7
13.7
14.7
15.7
16.7
17.7
18.7
19.7
Den
Obr.10.4: Pr b h teplot vzduchu v jednotlivých podlažích pro variantu 6 (naho e) a 7.
Miloš Lain 2007
131
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
VARIANTA 7 – Noc+Omez
Varianta 7 i 8 je dopln na o v trání budovy v no ních hodinách pracovních dn stejným pr tokem
venkovního vzduchu jako je používáno pro v trání b hem dne. Varianta 7 je v ostatních ohledech
shodná s p edchozí variantou 6. Ukazuje se, že no ní v trání výrazn zlepší provoz budovy. Teploty
vnit ního vzduchu v no ních hodinách poklesnou i v letních extrémech pod 22 °C. Sníží se tak i max.
teploty b hem dne, které se ve špi kách pohybují do 26 °C (viz tab. 10.2 a obr.10.4). Maximální
pot ebný citelný chladicí výklon je nepatrn nižší než v p edchozí variant , ale spot eba chladu se
snížila výrazn . Tato varianta je vyhodnocena jako nejlepší z hlediska pot ebného zdroje chladu i
spot eby chladu. Ale jak ukazuje ada studií, el. energie spot ebovaná na provoz ventilátor bývá
v tší, než úspory el. energie na provozu zdroje chladu.
VARIANTA 8 – Noc+24
Tato varianta p edstavuje kombinaci no ního v trání se základní variantou chlazení na 24 °C. No ní
v trání i v tomto p ípad mírn snížilo maximální pot ebný citelný chladicí výklon na 2 774 kW a
výrazn snížilo spot ebu chladu na 1 228 MWh.
Po íta ová simulace energetické bilance celé budovy prokázala, že p i vhodném zp sobu regulace lze
pro budovu snížit výkon zdroje chladu cca o 20 % oproti základní variant , kterou lze považovat za
odpovídající dimenzování v b žné projek ní praxi. Tím se sníží citelný výkon zdroje chladu o
532 kW. P edpokladem je nastavení regulace na teplotu vzduchu 24 °C. V p ípad špi kových zát ží
vzroste díky akumula ní schopnosti objektu teplota vzduchu o max. 2 K, p i emž teplota 26 °C
nebude p ekro ena. Na základ
srovnání výsledk
jednotlivých variant simulace (obr. 10.5) je
doporu eno budovu provozovat v režimu odpovídajícímu variant 6 nebo 7 s chlazením na 24 °C a
p ípadn dopln né o no ní v trání. M rná spot eba chladu vztažená na p dorysnou plochu budovy
bude 29 kWh/m2 (pro variantu s no ním chlazením 23 kWh/m2) a m rný výkon 43 W/m2.
Max. chladicí výkonPorovnání
([kW] variant
Spot eba chladu [MWh]
Citelný chladicí výkon budovy [kW],
Spot eba chaldu [MWh]
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Obr.10.5: Porovnání jednotlivých variant
Miloš Lain 2007
132
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10.2.2 Energetická simulace vybraných kancelá í
V této etap
byly ov eny pot ebné
chladicí výkony koncových prvk
ve
vybraných kancelá ích. Simulace byla
provedena pro t i vybrané maloplošné
kancelá e. Dv kancelá e jsou typické s
fasádou orientovanou na jih a jedna je
atypická se t emi prosklenými fasádami
(jih, východ a západ) viz obr. 10.6.
Po íta ové simulace byly provedeny
pro vybrané varianty a na rozdíl od Obr. 10.6: Model vybraných kancelá í
p edchozí etapy, bylo ešení zpracováno jak pro typické, tak pro extrémní klima (léto 2003).
Z výsledk prezentovaných v tabulce 10.3 je patrné, že m rné citelné chladicí výkony i spot eby
chladu jsou výrazn vyšší, než pr m rné hodnoty celých pater z p edešlé simulace (kap. 10.2.1). To je
zp sobeno jak vybranou polohou kancelá í, tak vyšší tepelnou zát ží na plochu (nejsou zahrnuty
plochy chodby, WC apod.).
Tab. 10.3: Varianty ešení a výsledky po íta ových simulací.
Max. chladicí výkon
[W/m2]
Ro ní spot eba chladu
[kWh/m2]
Varianta
Klima
Typ.
3.NP.
Typ.
4.NP.
Atyp.
4.NP.
Typ.
3.NP.
Typ.
4.NP.
Atyp.
4.NP.
1
2
6
7
1
2
6
7
TRY
TRY
TRY
TRY
2003
2003
2003
2003
127
118
78
78
143
136
87
87
129
119
78
78
142
135
87
87
128
115
95
95
161
150
117
117
64
50
63
50
98
84
97
88
58
43
57
50
96
80
95
89
50
34
49
42
94
72
93
83
Miloš Lain 2007
133
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10.2.3 Optimalizace zasklení atrií
T etí po íta ová simulace energetických bilancí se soust edila na optimalizaci zasklení st ech atrií.
Koncepce stín ní vn jšími pohyblivými lamelami navržená v projektu na základ energetické studie
(McLaughlin 2004), je z hlediska tepelných zisk i osv tlení ideální, ale její praktická realizace je
velmi obtížná. Dlouhé pohyblivé lamely jsou díky prom nlivým klimatickým podmínkám velmi
zatíženy, z ehož vyplývá vysoká pravd podobnost poruchy. Vzhledem k velikosti st ech musí být
konstrukce lamel velmi masivní a i p i
otev eném stavu zastíní zna nou ást st echy.
Proto bylo hledáno jiné vhodné ešení. Jako
vhodná varianta se jeví použití pevných lamel
pro
ást st echy a selektivního zasklení
s vysokou propustností slune ního zá ení a
nízkou propustností zá ení tepelného (viz.
kap. 2.3.6), p ípadn instalace vnit ní rolety.
Po íta ová simulace porovnávala tepelnou
pohodu v horní ásti atria pro r zné varianty
ešení zasklení (Lain 2005).
Energetická simulace v programu ESP-r byla
provedena pro vybrané západní atrium s ástí
obvodové fasády (obr.10.7). Toto atrium bylo
Obr.10.7: Model atria
rozd leno na zóny odpovídající jednotlivým
podlažím. Rozd lením atria na zóny kombinované s nuceným proud ním vzduchu lze získat p edstavu
o teplotách v jednotlivých podlažích. Metoda však neumož uje detailní ešení rozložení teplot
v jednotlivých zónách, ani ešení rozložení teplot bez pr toku vzduchu atriem.
V modelu je zahrnut p ívod erstvého vzduchu do I.NP a p ívod upraveného vzduchu z jednotlivých
podlaží. P ívod
erstvého vzduchu je zajiš ován pouze v pracovní dob , ale prov trávání atria
vzduchem z kancelá í je nep etržité.
ešení bylo provedeno pro dv varianty provozu (varianta 1 a 2 dle 10.2.1) a 4 zp soby zasklení viz
tabulka 10.4.
Tab. 10.4: Varianty zasklení atria (v závorce uvedeny hodnoty initele g).
Ozna ení
Zasklení severní 1/3 st echy
Zaklení 2/3 plochy st echy
S1
Planibel Energy (0,4) + rostliny
Planibel Top (0,56) + vn jší žaluzie
S2
Planibel Energy (0,4) + rostliny
Planibel Energy (0,4)
S3
Planibel Energy (0,4) + roleta
Planibel Energy (0,4) + vnit ní roleta
S4
Stopray Safir (0,32)
Stopray Safir (0,32)
Miloš Lain 2007
134
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Základním kriteriem pro hodnocení variant efektivnosti zasklení jsou parametry prost edí ve 4.NP a
5.NP, kde jsou atriem vedeny chodby. Výsledky po íta ových simulací ukázaly, že díky vysokým
pr tok m vzduchu atriem (p es atria je odvád na v tšina v tracího vzduchu p ivád ného do budovy)
jsou pro všechny varianty teploty vzduchu ve 4. a 5.NP vyhovující. Pro všechny varianty bez vn jšího
Teplota v V.NP. atria - varianta V1_S4
40
St ední radia ní teplota
Teplota vzduchu
Venkovní vzduch
38
36
34
32
Teplota [°C]
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
12.7 13.7 14.7 15.7 16.7 17.7 18.7 19.7 20.7 21.7 22.7 23.7 24.7 25.7 26.7
Den
Obr.10.8: Teploty v 5.NP atria pro výslednou variantu V1 S4
stín ní dochází k intenzivnímu sálání od st echy i vnit ních stínících prvk . St ední radia ní teplota je
výrazn vyšší než teplota vzduchu. Díky tomu nejsou parametry tepelné pohody p íliš p íznivé.
V tabulce 10.5 jsou uvedeny etnosti ukazatele PMV pro jednotlivé varianty. Vzhledem k tomu, že
chodba není trvalým pracovišt m, jsou voleny vyšší hodnoty PMV.
Tab. 10.5: Po ty hodin pracovní doby s výskytem ukazatele PMV pro jednotlivé varianty
Varianta
PMV
V1_S1 V1_S2 V1_S3 V1_S4 V2_S1 V2_S2 V2_S3 V2_S4
Tepelný komfort mírn chladno
Tepelný komfort neutráln
Tepelný komfort mírn teplo
Teplo
Tepelný diskomfort
-horko
Miloš Lain 2007
-1
87
78
84
82
12
8
7
9
0
1134
862
844
931
708
587
572
649
1
407
463
442
470
875
672
636
684
2
0
221
244
145
33
304
305
270
0
4
14
0
0
57
108
16
135
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Výsledky simulace ukazují, že p vodní varianta stín ní jedné t etiny st echy vn jší žaluzií jako jediná
zajistí podmínky tepelné pohody na chodbách v 5.NP atria, a to jak p i provozování budovy s teplotou
24 °C, tak s teplotou 26 °C. P i odstran ní vn jších žaluzií se zvýší teploty vzduchu a sou asn se
výrazn zvýší i st ední radia ní teploty v 5.NP atria. Použití selektivního skla podle varianty S4 lze
hodnotit jako vyhovující v p ípad , že bude omezeno sálání st echy atria na chodbu nap íklad stínícími
prvky. Toto ešení bylo následn využito p i realizaci.
St echa
Stín ní
kancelá í a
komunikace
Kancelá e 5.NP
Velkoplošné
kancelá e
v 4.NP
Chodba v 4.NP.
Obr. 10.9: Pohled pod st echu atria
Miloš Lain 2007
136
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10.3 M ení a optimalizace provozu
Jak již bylo n kolikrát e eno, hlavním cílem v trání a klimatizace v administrativní budov je
zajišt ní teplené pohody osob. Tato rozsáhlá budova má naprosto unikátní charakter díky propojení
v tšiny prostor. Pouze malá ást kancelá í a jednací místnosti jsou odd leny sklen nými p í kami.
Velkoplošné kancelá e jsou otev eny do velkých i malých atrií. Z pohledu v trání a klimatizace jsou
velkou výhodou velmi vyrovnané parametry prost edí v celém objektu, nevýhodou pak obtížné
individuální nastavení parametr prost edí jednotlivých osob. P i uvád ní do provozu a zkušebním
provozu (léto 2007) se ukázalo, že hlavním problémem je optimalizace teplot vzduchu a pocit
pr vanu. V této kapitole bude stru n prezentováno m ení, monitorování a optimalizace p i uvád ní
budovy do provozu.
Uvád ní budovy a systému v trání, vytáp ní a klimatizace do provozu by m lo sestávat ze dvou
základních krok . Prvním krokem je p ebírání budovy a systému investorem, zprovozn ní systému a
ov ení jeho funkcí. To probíhá áste n b hem realizace stavby, áste n p ed a p i kolaudaci,
p ípadn formou reklamací v dob záruky. Sou ástí prvního kroku jsou i povinné revize a testy stejn
jako kontrola a regulování základních parametr (pr tok vzduchu apod.). Cílem je p edat investorovi
pln funk ní budovu a systém, které odpovídají projektové dokumentaci.
Druhým krokem by m l být zkušební provoz budovy a systému. B hem zkušebního provozu by m ly
být odhaleny skryté vady a nedostatky zp sobené jak chybami p i realizaci díla, tak nedostatky
projektu. Dále by m la být b hem zkušebního provozu provedena optimalizace nastavených parametr
za ízení v etn
provozních režim s cílem zajišt ní tepelné pohody osob v budov p i minimálních
provozních nákladech. Zkušební provoz by m l probíhat po dobu minimáln
jednoho roku
(optimalizace a ov ení provozu pro r zné klimatické podmínky) a m l by být ízen skupinou
odborník schopných optimalizace provozu. Pro systémy navržené jako nízkoenergetické je zkušební
provoz naprosto nezbytný. Pro budovu prezentovanou v této studii jsem m l v rámci diserta ní práce
možnost zú astnit se zkušebního provozu ízeného Ing. Žemli kou a podílet se na optimalizaci
provozu jak jako odborný konzultant, tak i provád ným m ením a výpo ty.
10.3.1 Optimalizace teploty vzduchu
Budova
SOB p edstavuje velmi rozsáhlý objekt, v n mž je v tšina kancelá í, chodeb a ostatních
prostor neuzavírateln propojena. P edpokládá se rovnom rná teplota v celém objektu a možnosti
individuální regulace teploty jsou tudíž velmi omezené. To klade velké nároky na optimální nastavení
teploty. Teplota je ve velkoplošných kancelá ích m ena systémem MaR ve 187 místech (1- 4.NP). Ve
zkušebním provozu od kv tna do íjna 2007 byly zaznamenávány hodnoty v p timinutových
intervalech. Z analýzy t chto teplot vyplývá, že teploty jsou velmi vyrovnané, minimální teploty
v monitorovaném období jsou blízké 22 °C a maximální 26 °C ve v tšin prostor, viz tab. 10.6.
Miloš Lain 2007
137
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
(Ivanová 2007). Celý objekt má mírný teplotní gradient s výškou, p ibližn 0,5 K mezi 1.NP a 4.NP .
Teploty v atypickém 5.NP jsou však výrazn odlišné.
Tab. 10.6: Maximální a minimální teploty vzduchu za monitorované období
Sekce
1.NP
A
B
C
D
E
F
26,1
26,1
26,0
26,1
25,3
26,5
A
B
C
D
E
F
20,7
22,1
20,9
21,7
21,6
21,5
2.NP
3.NP
4.NP
Maximální teploty vzduchu [°C]
26,1
26,6
26,2
25,9
26,0
26,5
26,2
26,3
26,9
26,1
26,0
26,4
25,5
25,5
26,7
26,5
26,4
26,5
Minimální teploty vzduchu [°C]
20,6
21,1
21,5
22,1
22,0
22,0
21,3
22,2
22,0
21,4
22,1
22,8
21,9
22,0
22,1
22,3
22,3
22,0
5.NP
Celá
budova
29,7
25,6
30,1
28,0
25,3
28,7
25,8
21,3
20,4
20,0
21,5
20,6
20,9
21,0
Pro regulaci a volbu režim celého objektu se vychází z údaj dvou vybraných referen ních idel
v 3.NP. Analýza m ených dat ukázala, že idla byla vhodn vybrána a shoda s pr m rnou teplotou
celé budovy je velmi dobrá.
P i optimalizaci systému MaR byl na základ reakcí uživatel
hledán optimální pr b h teploty
vnit ního vzduchu a nastavení regulace. Výsledkem je požadavek na ranní teplotu 23 ± 1 °C (po
no ním chlazení venkovním vzduchem), p i emž teplota b hem dne postupn roste a v odpoledních
hodinách je nastavena na 26 ± 0.2 °C. P ipravuje se vle ná regulace teploty podle venkovní teploty
vzduchu dle adaptivního modelu tepelné pohody.
Dále byl optimalizován chod cirkula ních jednotek (FC), a to snížením maximálních otá ek a
paralelním snižováním otá ek podle nastavení regula ního ventilu vým níku, a chod VAV box .
Ukázalo se, že kritickým bodem pro klimatizaci objektu je kapacita koncových prvk , jak podlahové
vyústky systému VAV, tak cirkula ní jednotky FC nelze provozovat na plný výkon. To je dáno
p edevším skute ností, že projektovaná teplota p ivád ného vzduchu 16 °C je pro podlahové vyústky a
jejich funkci p íliš nízká.
Z teplotního hlediska jsou velmi specifické kancelá e v 5.NP. Vyzna ují se vysokým podílem zasklení
a malou tepelnou hmotou. Teploty v pr b hu dne zde mají výrazn jiný pr b h než v ostatních ástech
budovy. Pot eba chlazení nastává již p i venkovní teplot 14 °C. Napojení t chto kancelá í na jeden
systém se zbytkem objektu lze hodnotit jako chybu projektu.
10.3.2 M ení tepelné pohody osob
Ve zkušebním provozu vycházelo hodnocení tepelné pohody osob ze stížností a individuálních
rozhovor
s pracovníky. K plošnému dotazníkovému pr zkumu nebylo p istoupeno vzhledem
Miloš Lain 2007
138
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
k situaci v objektu. Bylo ov eno, že ada stížností na tepelnou pohodu a pr van je siln ovlivn na
psychologickými aspekty pobytu pracovník v kancelá ích, a to jak objektivními (p edstava pr vanu
v otev ených kancelá ích), tak subjektivními (nespokojenost s prací ve velkoplošné kancelá i).
Psychologické aspekty jsou výrazn
v tšina pracovník
ovlivn ny faktem, že naprostá
byla do objektu p est hována z kancelá í, kde
dlouhodob pracovali a jejich nespokojenost s prost edím se odráží v
pocitech špatné tepelné pohody.
Detailní kontrolní m ení tepelné pohody prob hlo na 4 pracovištích.
V této práci jsou prezentovány výsledky celkem t ech m ení. Byla
m ena teplota vzduchu, relativní vlhkost, teplota kulového teplom ru a
bylo provedeno detailní m ení teploty, rychlosti proud ní a intenzity
turbulence pro sedící osoby (v souladu s SN ISO 7730).
Použitá za ízení :
•
Multipoint FloW Analysis system sestávající ze t í nesm rových
idel typu T54T21, stativu na upevn ní
idel, konektoru,
proudové redukce, kabeláže, po íta e, DACCard-500* karty a
OmniSEnce aplika ního sofrwaru.
•
Kulový teplom r
•
Vícekanálové univerzální
idlo na m ení pr m rné teploty
vzduchu a relativní vlhkosti
M ení dne 31.7.2007 bylo provedeno v následujících pracovištích :
Obr. 10.10: idla
Multipoint FloW
Analysis system
1-sekce F, 4.NP u sv tlíku
2- sekce F, 4.NP v blízkosti FC
3-sekce B, 1.NP v krajní ásti velkoplošné kancelá e u velkého atria
M ené hodnoty
t
místní teplota vzduchu snímána Multipoint FloW Analysis systémem [°C]
w
místní st ední rychlost proud ní vzduchu [m/s]
Tu
místní intenzita turbulence [%]
tx
teplota vzduchu snímaná stín ným teplom rem v míst m ení vlhkosti [°C]
relativní vlhkost vzduchu [%]
tk
teplota kulového teplom ru [°C]
Miloš Lain 2007
139
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Stupe obt žování pr vanem DR je vyvozen podle následujícího vztahu ( SN ISO 7730):
DR = (0,34 − t ).( w − 0,05) 0,62 .(0,37.w.Tu + 3,14) .................................................(10.1)
t..............místní teplota vzduchu [°C]
w ............st ední rychlost proud ní vzduchu v míst umístn ní idla [m/s]
Tu ..........místní intenzita turbulence (%)
Hodnocení nam ených výsledk
Teplota zjišt ná
erným kulovým teplom rem vykazovala na všech místech m ení minimální
odchylky od teploty vzduchu. Kontrolní m ení povrchových teplot st n a strop
ukázalo též
minimální odchylky t chto teplot od teploty vzduchu. St ední radia ní teplota je tudíž tém
shodná
s teplotou vzduchu a operativní teplota bude rovn ž shodná s teplotou vzduchu.
M ení 1 až 3 bylo provedeno za plného provozu v dob p ítomnosti zam stnanc . M ení bylo
provedeno v n kolika bodech (Ivanová 2007) a výsledky jsou uvedeny v tabulkách 10.7 až 10.10.
Tab. 10.7: Pr m rné hodnoty díl ích m ení a celkové pr m rné hodnoty pro pracovišt 1
Pracovišt
1
1
1
M ení
.
1
2
3
Pr m rné
všech m ení
hodnoty
w
[m/s]
Tu
[%]
T
[°C]
DR
[%]
kotníky
0,06
62,
26,5
1,4
kolena
0,08
52
26,0
3,7
hlava
0,06
64
25,6
1,6
kotníky
0,17
34
26,6
10,4
kolena
0,11
33
26,0
6,3
hlava
0,13
34
25,5
8,5
kotníky
0,10
52
26,3
5,5
kolena
0,33
49
25,9
33,3
hlava
0,11
42
25,5
6,8
kotníky
0,11
49
26,5
5,8
kolena
0,17
45
26,0
14,4
hlava
0,10
47
25,5
5,6
M ení na pracovišti .1 (tab.10.6) ukázalo mírn vyšší teploty vzduchu v i parametr m nastaveným
centráln systémem MaR. Pr m rné rychlosti proud ní se v jednotlivých m eních pohybují v rozsahu
0,1 až 0,2 m/s, p i emž jsou spln ny podmínky dané Na ízením vlády .178/2001 Sb. ve zn ní
na ízení vlády .523/2002 Sb. a na ízení vlády .441/2004 Sb. Procento nespokojených se v pr m ru
pohybuje pro oblast kotník a hlavy pod 10 %, tj. spadá do kategorie A, oblast kolen už spadá do
kategorie B, tudíž muže být vnímána náchyln jšími osobami jako pr van.
Miloš Lain 2007
140
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab. 10.8: Pr m rné hodnoty díl ích m ení a celkové pr m rné hodnoty pro pracovišt 2
Pracovišt
2
2
2
M ení
.
1
2
3
Pr m rné hodnoty
M ení na pracovišti
w
[m/s]
Tu
[%]
T
[°C]
DR
[%]
kotníky
0,16
39,5
25,8
11,7
kolena
0,17
36,2
25,6
12,5
hlava
0,13
26,5
25,5
7,8
kotníky
0,06
58,0
26,1
2,3
kolena
0,08
47,3
25,7
3,7
hlava
0,08
53,6
25,3
4,0
kotníky
0,06
62,5
25,6
3,0
kolena
0,07
56,9
25,6
3,7
hlava
0,06
73,2
25,5
2,1
kotníky
0,10
53,4
25,8
5,7
kolena
0,11
46,8
25,6
6,7
hlava
0,09
51,1
25,5
4,6
. 2 (tab.10.8) má podobné výsledky jako p edešlé m ení. Procento
nespokojených se v celkovém pr m ru pohybuje pro oblast kotník , kolen a hlavy pod 10 %, tj. spadá
do kategorie A.
Tab. 10.9: Pr m rné hodnoty díl ích m ení a celkové pr m rné hodnoty pro pracovišt 3
Pracovišt
3
3
3
3
M ení
.
1
2
3
4
Pr m rné hodnoty
Miloš Lain 2007
v
[m/s]
Tu
[%]
T
[°C]
DR
[%]
kotníky
0,13
52,5
24,5
10,2
kolena
0,13
48,2
24,2
11,1
hlava
0,11
51,3
23,8
9,6
kotníky
0,07
72,5
24,4
4,0
kolena
0,10
55,6
23,9
7,2
hlava
0,12
49,3
23,5
9,9
kotníky
0,05
60,3
24,8
1,1
kolena
0,05
42,3
24,4
7,2
hlava
0,06
44,2
24,1
2,4
kotníky
0,05
56,2
24,9
1,4
kolena
0,06
58,9
24,4
7,2
hlava
0,06
53,6
23,9
2,3
kotníky
0,07
60,7
23,9
3,8
kolena
0,08
51,1
23,5
7,8
hlava
0,09
52,3
23,1
6,9
141
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
M ení na pracovišti . 3 (tab.10.9) ukázalo, že se teplota vzduchu pohybuje v rámci rozmezí teplot
stanovených systémem MaR, výjimkou je teplota snímaná p i m ení v bezprost ední blízkosti
parapetu.
Záv ry m ení tepelné pohody
V budov byl nastaven poždNam ené hodnoty teplot vzduchu v horních patrech, tj. na pracovišti 1 a
2 p esahují nastavenou horní hranici 25,3 °C, na pracovišti 3 klesají pod nastavenou dolní hranici 23,7
°C. Na pracovišti 1 a 2 p esáhla teplota vzduchu teploty žádané systémem MaR. Teplota vzduchu byla
však hodnocena zam stnanci jako pln vyhovující. V dob chodu klimatizace jsou FC jednotky
nastaveny tak, aby se p i otev ení okna automaticky vypínaly. Automatické vypnutí v d sledku
otev ených oken a rovn ž malý po et FC jednotek v rámci jedné sekce m že zp sobit zvýšení místní
teploty na pracovišti v i teplot požadované systémem MaR.
Pr m rné rychlosti proud ní vzduchu se v díl ích m eních pohybují v rozmezí 0,1 až 0,2 m/s, pro
pracovišt 2 jsou dokonce pod hranicí 0,1 m/s. Tudíž pracovišt 1, 2 a 3 z tohoto pohledu zcela
vyhovují Na ízení vlády .178/2001 Sb. ve zn ní na ízení vlády .523/2002 Sb. a na ízení vlády
.441/2004 Sb.
Souhrnným ukazatelem tepelné pohody na pracovišti je procento osob obt žovaných pr vanem.
V p ípad , že se hodnoty DR pohybují do 20 %, je pracovišt vyhovující. Celkové pr m rné hodnoty
stupn obt žování osob pr vanem dle m ení na jednotlivých pracovištích nep ekro ily hodnotu 10 %.
Posuzovaná pracovišt jsou klasifikována do kategorie A, tudíž je lze považovat za pln vyhovující
dle SN EN 7730.
10.3.3 Spot eby el. energie
V objektu
SOB byly osazeny elektrom ry (t ída p esnosti 1 dle
SN EN 62053-21) s íta i puls
napojené na systém MaR pro veškeré zdroje chladu. Pro analýzy jsou následn používány hodnoty ze
zdroj
pro centrální VZT jednotky, zdroj
pro cirkula ní jednotky (FC) a áste n i zdroje pro
klimatizaci po íta ových sál (IT). Dále je k dispozici pr b h odb rových maxim a m sí ní spot eba
el. energie celého objektu. Tyto hodnoty slouží pro stanovení spot eby zdroj chladu a jejího podílu na
celkové spot eb objektu. Celková spot eba el. energie budovy zahrnuje všechny spot eby jako
osv tlení, VZT, chlazení, kotelna, gastro aj. a je m ena hlavními elektrom ry.
Úst edí je jako celek napojeno na systém PRE a.s., který umož uje zjiš ování odb r technického
maxima v pr b hu zvoleného asového intervalu. Hodnoty technického maxima v ase jsou uvedené
v jednotkách MW a je možné je získat pro libovoln zvolený asový interval. Údaje spot eb elektrické
energie jsou k dispozici jako celková m sí ní spot eba uvád ná v kWh, jež je podkladem pro
fakturované hodnoty. Technické maximum je v daném
asovém intervalu zaznamenáváno jako
hodnota maximální v MW, integrací v ase je možný p epo et na kWh. Z toho vyplývá, že je možné
porovnat podíl spot eby chladících jednotek na celkové spot eb objektu.
Miloš Lain 2007
142
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Chladící jednotky pro
FCU
jednotky pro VZT
Spot
eby elektrické energie Chladící
SOB
Chladící jednotky pro IT
Ostatní spot eba objektu
Spot eby elektrické energie [MWh]
1 200
1 000
800
600
400
200
0
ervenec
Srpen
Zá í
Obr. 10.11: El. spot eby SOB
Tabulka 10.9: Celkové spot eby el. energie
Celk. spot eba
Chladící
objektu
jednotky FCU
[kWh]
[kWh]
ervenec
Srpen
Zá í
985 165
1 031 007
850 177
68 928
51 548
11 994
Chladící
jednotky IT
[kWh]
Chladící
jednotky VZT
[kWh]
Celk. spot eba
chlazení
[kWh]
39 528
99 123
72 469
70 050
50 751
17 622
178 506
201 422
102 085
Z celkové spot eby v pr b hu monitorovaného letního období byl nejvyšší podíl spot ebované
elektrické energie chladícími jednotkami v m síci srpnu. Tento podíl inil 20 %.
Pro detailní porovnání pr b hu spot eby el. energie celého objektu a spot eb zdroj chladu bylo t eba
korigovat dostupný pr b h technických maxim tak, aby integrace t chto hodnot odpovídala údaj m
faktura ního elektrom ru. Z takto upravených hodnot byl pak vyhodnocen podíl spot eby chladicích
jednotek pro klimatizaci objektu (FC+VZT) na celkové spot eb chladu objektu (obr. 10.12).
Typický pr b h spot eb elektrické energie chladícími jednotkami s ohledem na asový režim chodu je
znázorn n na obrázku 10.13. Potvrzuje se, že chod chlazení IT je nezávislý na chodu ostatních
technologií. Chladící jednotky pro VZT a FC mají od 2.00 do 24.00 hod., kdy je do budovy p ivád n
pouze erstvý venkovní vzduch, nulovou spot ebu. O víkendu, kdy FC a VAV boxy b ží v tlumeném
režimu, tj. spínají se pouze v p ípad , kdy je p ekro eno rozhraní teplot 21 °C až 28 °C, dochází ke
kratšímu spínání jednotek chlazení.
Miloš Lain 2007
143
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Percentuální podíl chlazení na celkové spot eb el. energie
etnost dvouhodinových interval
281
273
300
227
250
200
335
322
350
menší než 5%
<5% ÷10%)
<10% ÷ 20%)
<20% ÷ 30%)
30%
174
150
87
100
50
97
81
88
25
12
7
25
0
0
ervenec
Obr. 10.12:
srpen
zá í
etnosti procentuelních podíl spot eby el. energie pro zdroje chladu na klimatizaci SOB
Obr. 10.13: Pr b h el. spot eby jednotlivých zdroj chladu
Miloš Lain 2007
144
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Spot eby elektrické energie chladících jednotek ur ených pro FC a VZT nemají na spot eb celého
objektu tak velký podíl, jak se p vodn p edpokládalo. Je t eba poznamenat, že uvažované spot eby
zahrnují jen elektrickou energii odebranou samotnými chladícími jednotkami. Vzhledem k osazení
elektrom r nelze ur it spot ebu ob hových erpadel a ostatních sou ástí celého systému chlazení.
Podíl chlazení na celkové spot eb
objektu je výrazn jší p edevším v období letních extrém .
Maximální nam ený podíl na celkovém odb ru odpovídá ve špi kách 37 %. Vzhledem k tomu, že
spot eba chladicích jednotek se zaznamenává ve 2 hodinovém intervalu, m že být extrémní hodnota i
vyšší.
Závislost mezi venkovní teplotou a spot ebou je sice prokazatelná, nedá se však vyjád it matematickou
závislostí, která by byla dostate n p esná. Pokud se zam íme na celkové m sí ní spot eby chlazení,
tvo í v závislosti na venkovní teplot 12 až 20 % m sí ních fakturovaných spot eb elektrické energie.
10.3.4 Ov ení výkon zdroje chladu
Ve zkušebním provozu byla nastavena vnit ní teplota v rozmezí 23 °C až 26 °C. Ve ve erných
hodinách se objekt chladil venkovním vzduchem. No ní chlazení venkovním vzduchem bylo
využíváno jen v p ípad , když byla venkovní teplota nižší minimáln o 4 K oproti teplot vnit ní.
Tab. 10.10: P íkony zdroj chladu (hodnota z po íta ové simulací byl zvýšena o 20 % na odvod
vázaného tepla)
Technologie
Maximální chladící výkon [kW]
Projekt
VZT
3 127
FCU
2 292
CELKEM
5 419
Simulace
Instalovaný
Vyhodnocený
3 325
1 396
1 692
812
5 017
2 208
P íkon
kompresor
[kW]
444,5
Celkový
p íkon
[kW]
623,7
Max. chladící
výkon p i 32 °C
[kW]
1 086,9
2 780
2 780
Tab. 10.11: Parametry instalovaných zdroj chladu
Technologie
VZT
FCU
Ozna ení
jednotky
REVERSO
P íkon
ventilátor
[kW]
179,2
REVERSO
179,2
444,5
623,7
1 086,9
UNICO
274,4
385,4
659,8
1 150,8
Celkem
632,8
1 274,4
1 907,2
3 324,6
MAXIMO
100,8
265,5
366,3
846,0
MAXIMO
100,8
265,5
366,3
846,0
Celkem
201,6
531
732,6
1 692,0
Z pr b hu spot eb el. energie lze porovnáním s jmenovitým p íkonem zjistit využití zdroj chladu pro
klimatizaci budovy (tab. 10.12). Celkové maximální využití jednotek je, vyjdeme-li z dostupných
údaj , 43,6 %. Tato hodnota vychází ze jmenovitého p íkonu, který pravd podobn
maximálnímu p íkonu v dob
Miloš Lain 2007
odpovídá
náb hu jednotky. Když touto hodnotou korigujeme jmenovitý
145
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
instalovaný výkon získáme p ibližn hodnotu „vyhodnoceného“ maximálního chladicího výkonu
(tab.10.10).
Tab. 10.12: Vyhodnocení využití zdroj chladu
Vyhodnocený max. p íkon jednotek [kW]
Instalovaný p íkon jednotek
Využití jednotek
[kW]
[%]
VZT
FC
838
492
1 907
44 %
733
67 %
Spole n FCU+VZT
VZT
FCU
801
1 907
42 %
1 153
44 %
352
733
48 %
Z výsledk po íta ové simulace ur ený pot ebný chladicí výkon zdroje chladu je 2 780 kW. To vedlo
ke snížení p vodn
projektované spot eby zdroje chladu 5 419 kW o cca 10% na 5 017 kW.
Z nam ených spot eb el. energie (za dv hodiny) a z nich vyhodnocených el. p íkon zdroj chladu
bylo ur eno jejich max. využití 43,6 %, což odpovídá chladicímu výkonu 2 208 kW. Tato hodnota je
nižší než hodnota zjišt ná výpo tem. To m že být áste n zp sobeno tím, že v dob maximálních
letních extrém roku 2007 nebyla budova ješt pln obsazena a áste n i chybou metody. Vzhledem
k tomu, že cílem tohoto rozboru je ov ení správnosti rozhodnutí o snížení kapacity zdroje chladu, je
dosta ující tento zjednodušený postup. Pro další navazující detailní výzkum bude t eba získat od
výrobce podrobné údaje a p ípadn provést detailní m ení energie dodané zdroji chladu.
10.3.5 Teploty v atriu
V prostorech komunikací v 5.NP atrií nebylo provedeno samostatné m ení tepelné pohody ani
monitorování teplot. Ale z místních šet ení a rozboru stížností pracovník vyplývá, že parametry
prost edí na komunika ních plochách v 5.NP atria jsou naprosto vyhovující. Systém MaR monitoruje
pouze teploty ve vzduchovodu odvád jícím vzduch z 5.NP a atria. Pr b h t chto teplot je znázorn n
na obrázku 10.14. V pr b hu celého monitorovaného období od 26. 7. 2007 do 30. 9. 2007 p ekro ila
teplota vzduchu na odtahu v západním atriu hodnotu 32 °C jen t ikrát. T chto maximálních hodnot
33,7 °C dosahovala teplota m eného vzduchu p i venkovní teplot 33,5 °C.
Porovnání teplot nam ených v 5.NP atria a teplot simulovaných (kap. 10.2.3) je málo vypovídající. A
to jak díky rozdílnému pr b hu parametr venkovního klimatu, tak p edevším vzhledem k nejasnému
provozu systému v trání a klimatizace b hem m ené periody. P esto lze oba pr b hy porovnat.
Základním rozdílem jsou výrazn
nižší nam ené teploty vzduchu v no ních hodinách. To je
zp sobeno tím, že v reálném provozu se využívá no ního v trání, ale v po íta ových simulacích byl
uvažován provoz bez no ního v trání. Jinak je pr b h teplot podobný. P i realizaci bylo použito
zasklení dle simulované varianty S4. Toto ešení bylo navíc dopln no o vnit ní látkovou roletu
(varianta S3). Z tohoto d vodu jsou v grafu na obrázku 10.14 demonstrovány varianty ob .
Miloš Lain 2007
146
Teplota vzduchu [°C]
Nízkoenergetické chlazení budov -
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
29.6
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Venkovní vzduch
6.7
13.7 20.7 27.7
Atriun V2 S4
3.8
10.8 17.8 24.8 31.8
Arium V2 S3
7.9
14.9 21.9
Den
Obr. 10.14: Teploty v západním atriu v 5.NP - porovnání m ení teploty (naho e) a výsledk simulace
(dole)
Miloš Lain 2007
147
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
10.3.6 Záv r
P i zkušebním provozu v roce 2007 bylo provedeno ov ení funkce systému v trání a klimatizace a
optimalizace jeho parametr .
Uvád ním do provozu a samotnou optimalizací se poda ilo využitím potenciálu VZT systému a
systému MaR nastavit takové režimy chodu objektu, které spl ují stanovené požadavky na komfort
zam stnanc , p i emž vykazují, v rámci možností, nejnižší spot eby energie. V porovnání s p vodním
projektem VZT se m nil nejen asový chod jednotek, byly sníženy i hodnoty maximálních pr tok
p ivád ného vzduchu.
Analýzou spot eb elektrické energie chladícími jednotkami v pr b hu monitorovaného období se
zjistilo, že na celkových m sí ních spot ebách celého objektu mají až 20% podíl.
Teplotní analýzou se potvrdila správnost výb ru referen ních idel. Na základ nejnižší odchylky od
pr m rné teploty v objektu se dále potvrdil výb r 3.NP jako referen ního. I p i omezení pr tok
p ivád ného vzduchu VZT jednotek na 95 % otá ek frekven ního m ni e se i v nejvyšších špi kách
poda ilo dodržet požadované parametry prost edí (maximální teploty vzduchu 26 °C ).
Maximální využití chladících jednotek v letním období je 67 % pro Fan-coily a 43 % pro VZT
(dohromady celkem 44 %). Po íta ová simulace navrhovala instalaci zdroje chladu o výkonu 2 780
kW, v etn tepla citelného i vázaného. Maximální chladící výkon p ibližn vypo tený na základ
m ených p íkon byl pro monitorované období 2 171 kW. Rozhodnutí snížit instalovaný chladící
výkon v i p vodním projektem dimenzovaným výkon m bylo správné.
10.4 Záv r
Tato p ípadová studie prokázala význam po íta ových simulací p i návrhu systému v trání
a
klimatizace administrativní budovy s prvky pasivního a nízkoenergetického chlazení. V rámci
zkušebního provozu byla provedena jak optimalizace systému v trání a klimatizace, a to p edevším
vzhledem k parametr m vnit ního prost edí, tak byla ov ena správnost projek ních rozhodnutí
založených na výsledcích po íta ových simulací.
Monitorováním a m ením byly získány podklady pro ov ení jak parametr prost edí, výkon zdroje
chladu, tak i teplot v 5.NP atria.
V celém procesu projektování a výstavby a uvád ní do provozu se ukázala jako neocenitelná role
konzultanta, který zajistil p enos základních koncepcí nízkoenergetického chlazení mezi jednotlivými
stupni projektové dokumentace i výstavby. Výsledky po íta ových simulací se díky n mu výrazn
promítly do navržených ešení. A p edevším zajistil a koordinoval zkušební provoz a optimalizaci
parametr systému v trání a klimatizace budovy.
ada poznatk získaných p i zkušebním provozu této rozsáhlé budovy má obecný charakter a m že
být použita p i ešení dalších nov stav ných i rekonstruovaných budov.
Miloš Lain 2007
148
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11 Návrh systému sálavého chlazení s akumula ní hmotou
V této p ípadové studii jsou prezentovány po íta ové simulace zpracované b hem projektu nov
stav né budovy Státní technické knihovny, a jejichž cílem bylo ov it vnit ní prost edí a navrhnout
režim provozu.
11.1 Koncept technické knihovny
Nová budova Státní technické knihovny je stav ná v areálu
VUT v Praze 6 Dejvicích. Koncepce
budovy vychází z minimalizace tepelných zisk , vn jším stín ním a uspo ádáním budovy. V budov
je osazen systém sálavého chlazení s využitím akumulace chladu do stropní desky (aktivace betonu) a
nucené v trání je pouze minimální. Dob e prov traná dvojitá fasáda spolu s otevíratelnými okny a
centrálním atriem umož uje i p irozené v trání a p ípadné no ní chlazení.
11.1.1 Budova - popis
Budova má dev t podlaží z nichž t i jsou podzemní a celá budova je rozd laná do n kolika
samostatných funk ních celk . Hlavní ást je vlastní knihovní prostor umíst ný v t etím až šestém
nadzemním podlaží podél jiho-východní, jiho-západní a severo- západní fasády.
ást prostoru je
vy len na pro studovny, ítárny a po íta ové studovny. V severo-východní ásti za atriem jsou
45np
kan4np
4np
Atrium
34np
umíst ny kancelá ské prostory. V p ízemí a druhém NP jsou prodejní plochy, restaurace a pasáže.
klim4np
Obr. 11.1: P dorys budovy a její rozd l ní (4 NP.)
Miloš Lain 2007
149
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
V podzemí se nalézají parkovací plochy.
Nosný skelet je z monolitického železobetonu, stropní desky jsou k ížem p edpjaté a sloupy mají
mohutné hlavice. Vnit ní p í ky jsou lehké ze sádrokartonu nebo skla. Fasáda je dvojitá odv traná.
Vnit ní fasáda je z dvojskla se zd nými parapety. Vn jší fasáda je ze sklen ných profil Profilit.
Budova knihovny je samostatn stojící, jihovýchodní fasádou sousedí s budovou Fakulty strojní
VUT. P dorys objektu, v etn jeho orientace, je z ejmý z obrázku 11.1.
11.1.2 Systém chlazení vytáp ní a v trání.
Pro vytáp ní a chlazení je v budov pro t etí až šesté podlaží použito aktivace betonu. Systém spo ívá
v p edchlazení (p ípadn
p edeh evu) betonové stropní desky zabudovanými smy kami trubek
(Obr. 11.2). P i aktivaci betonu (chlazení stavebních desek) se kombinuje sálavé chlazení s akumulací
chladu do masivní betonové desky (viz kap 4.1). P i sálavém chlazení je pak množství v tracího
vzduchu omezeno pouze na hygienické minimum (25 m3/os). Vzduch je p ivád n do prostor knihovny
a odvád n p es atrium. P edevším v kancelá ích na severovýchodní fasád se p edpokládá p irozené
v trání okny. Pro po íta ové u ebny, a restaura ní a obchodní prostory je navrženo b žné chlazení
ventilátorovými konvektory (FC).
Jedním z d vod použití systému s akumulací chladu do stavební konstrukce je snaha o maximální
využití zdroje chladu a minimalizaci jeho kapacity. V no ních hodinách bude zdroj chladu využit
k chlazení stavebních desek a
b hem dne bude zdroj chladu
sloužit pro b žnou klimatizaci
po íta ových
u eben
a
provozoven. Projektant vycházel
p i návrhu systému z hodnot pro
p edb žný návrh, prezentovaných
v kapitole 4 této práce. Detailní
ešení dynamického chování p i
st ídavém
chlazení
p ekra uje
možnosti b žného projektování a Obr. 11.2: Pohled na položenou vodní smy ku v podlaze tech.
knihovny p ed betonováním.
vyžaduje
detailní
ešení
využívající po íta ovou simulací.
Miloš Lain 2007
150
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11.2 V traná dvojitá fasáda
V první
ásti práce byla ešena dvojitá zasklená prov trávaná fasáda objektu Státní technické
knihovny. Po íta ovou simulací byla ov ena teplota v meziprostoru dvojité fasády se zam ením na
letní extrémy. Ur ení vnit ní teploty respektive rozdílu mezi teplotou venkovní a teplotou ve fasád je
d ležité pro posouzení zjednodušujících okrajových podmínek pro celkový model budovy NTK.
Ukázalo se totiž, že simula ní ešení dvojité fasády v rámci modelu celé budovy by bylo nesmírn
technicky náro né, a p i vhodn navržené fasád do zna né míry i zbyte né. Druhým d vodem k
vypracování této první simulace je zhodnocení možnosti využití „mezifasádního“ vzduchu pro v trání,
p ípadn no ní v trání prostor knihovny a kancelá í.
a)
b)
c)
Obr. 11.3: a) model vybraného segmentu fasády
b) model proud ní bez bo ních št rbin (komín)
c) model proud ní fasádou se zahrnutím bo ních št rbin (Crack nebo Door)
11.2.1 Model
Pro ešení teplotních podmínek v mezifasádním prostoru byl sestrojen model segmentu dvojitého
zaskleného plášt s jižní orientací (Obr.11.3 a). Modelovaná fasáda je vícepodlažní segment, kde
každé podlaží je zastoupeno jednou zónou. Spodní hrana zasklení je ve výšce 3,5 m nad zemí, horní
Miloš Lain 2007
151
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
hrana p e nívá o 1,2 m nad st echou. Celková
výška fasády je 20,4 m. Jedná se o p ti zónový
model s hmotnými stínícími prvky o výšce 1,4m
v mezifasádním prostoru v jednotlivých zónách.
Tyto stínící žaluzie jsou na skute né stavb
použity podél celého obvodového plášt (krom
severní ásti fasády).
Vnit ní
pláš
je
zasklen
dvojsklem
se
2
sou initelem prostupu tepla U = 2,8 W/m K a
g = 0,61. Vn jší pláš
je z
tvárnic Profilit
(Pilkington) U = 5,5 W/m2K a g = 0,82.
11.2.2 Model proud ní
Geometrický model byl dopln n o modely
p irozeného
proud ní
vzduchu
zahrnující
p edevším proud ní zp sobené rozdílem hustot a
proud ní
zp sobené
ú inky
proud ní
eší tlakové pom ry v jednotlivých
podlažích
s respektováním
jak
v tru.
Model
spodních
a
horních v tracích otvor , tak št rbin mezi
vnit ní fasáda - dvojsklo
stín ní
vn jší fasáda - Profilit
jednotlivými profily vn jší fasády. Pro detailní Obr: 11.4: Model pro ov ení v trací št rbiny a
p dorysný detail fasády
ešení byl model proud ní zpracován ve t ech
variantách.
První varianta reprezentuje fasádu, jako by byla otev ená pouze ve spodní a horní ásti, bez uvažování
svislých št rbin mezi jednotlivými sklen nými profily vn jší fasády (Obr.11.3 b). Tento model slouží
jen pro koncep ní ov ení ešení a má zjistit zda by takováto úrove
zjednodušení mohla být
dostate ná. Pro tento model je používán zjednodušený název „Komín“.
Druhý a t etí model je již výrazn komplikovan jší, protože v každém podlaží jsou komponenty
reprezentující št rbiny mezi profily vn jší fasády (Obr. 11.3 c). v druhé variant modelu umož ují tyto
komponenty (typ opening) pouze jednosm rné proud ní daným prvkem v jeden okamžik. V t etí
finální variant modelu proud ní je použito komponent (typ door), které umož ují a eší i obousm rné
proud ní v jeden asový okamžik. Obousm rné proud ní jedním otvorem m že vznikat u vyšších
otvor a to díky rozdílné hustot v jednotlivých výškách.
Dále bylo na malém modelu ov eno i nahrazení n kolika paralelních otvor na skute né fasád
(Obr. 11.4) jedním otvorem v každém segmentu (Hanák 2007).
Miloš Lain 2007
152
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11.2.3 Rozbor výsledk po íta ové simulace fasády
Po íta ová simulace byla provedena pro letní období typického roku v Praze (TRY). P i detailním
ešení problému jsou výsledky po íta ové simulace prezentovány v n kolika krocích. Prvním krokem
bylo porovnání t í variant modelu v trání fasády. Výsledky ešení (Obr. 11.4) ukázaly, že rozdíly
mezi variantou bez bo ních otvor (komín) a s bo ními otvory (opening, door) jsou velmi výrazné.
St ední teploty po výšce fasády (aritmetický pr m r teplot vzduchu všech zón fasády) i maximální
teploty jsou v denních hodinách vyšší pro provedení „komín“ a rozdíl dosahuje asto až 6 K. Oproti
tomu rozdíly pro p ípad v trané fasády s r znými komponentami reprezentujícím obvodové št rbiny
jsou velmi malé (max rozdíl 1K) a jen výjime n dochází k oboustrannému proud ní št rbinou, p i
kterém se projeví rozdíl obou model . Záv rem lze íci, že model bez bo ních otvor p edstavuje
p íliš velké zjednodušení a jeho výsledky se pro ešení reálného p ípadu nehodí. Oproti tomu použití
komponenty s obousm rným proud ním není pro ešení této fasády nezbytn nutné. Pro další analýzy
bylo využit tedy pouze model t etí, který zahrnuje bo ní v trání jednotlivých zón fasády a umož uje i
obousm rné proud ní t mito otvory (door).
Pr b h st ední teploty po výšce fasády a venkovní teploty
t_st _komín05
38
t_st _opening05
t_st _door05
Klima
36
34
32
Teplota [°C]
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
7.8.
8.8.
9.8.
10.8.
11.8.
12.8.
13.8.
14.8.
15.8.
16.8.
17.8.
18.8.
19.8.
20.8.
21.8.
Den
Graf S.1
Obr. 11.4 : Pr b h st ední teploty po výšce fasády – porovnání model proud ní
Dalším krokem bylo vyhodnocení vlivu v tru. P i detailním ešení p irozeného proud ní vlivem v tru
je t eba získat korek ní koeficienty, respektující tvar a pozici budovy, stejn jako její okolí vzhledem
k tlakovým ú ink m v tru na danou fasádu. Pro zjednodušený p ípad osam le stojící budovy tvaru
kvádru lze provést výpo et podle parametrických vztah (Grosso 1992). Tento výpo et je sou ástí
programu ESP-r a koeficienty pro osam le stojící budovy byly zohledn ny. Získání detailních
koeficient
vyžaduje náro né m ení na modelu v aerodynamickém tunelu nebo ešení pomocí
po íta ové simulace proud ní (CFD).
Miloš Lain 2007
153
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Pr b h rozdílu st ední teploty po výšce fasády a venkovní teploty
t_st _door0
t_st _door05
t_st _door1
6
5
4
3
∆T [K]
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
7.8.
8.8.
9.8.
10.8.
11.8.
12.8.
13.8.
14.8.
15.8.
16.8.
17.8.
18.8.
19.8.
20.8.
21.8.
Den
Graf S.D.3
Obr. 11.5 : Pr b h rozdílu st ední teploty po výšce fasády a venkovní teploty – vliv korekce v tru
D íve než se k takovému kroku p istoupí, je vhodné provést citlivostní analýzu, která ov í, jak
výrazn závisí výsledné hodnoty ešeného problému na p esném ur ení tlakových ú ink v tru. P i
citlivostní analýze je provád na simulace s uvažováním r zných korek ních sou initel rychlosti v tru
a výsledné hodnoty se navzájem porovnají. V tomto p ípad byl volen korek ní faktor 1 (vysoká
expozice), faktor 0,5 a faktor 0,001(bezv t í). Z výsledk simulace (Obr. 11.5) vyplývá , že korekce
v tru nemá zásadní vliv na výsledky. Teploty jsou velmi podobné p i korekci 1 a 0,5; p i korekci
0,001 jsou teploty mírn vyšší. Odchylky st edních teplot vzduchu jsou max 20%, pr m rné 1,5 %.
Citlivostní analýza ukázala, že rychlost v tru nemá zásadní vliv na výsledné teploty vzduchu
v meziprostoru fasády a výsledky simulací lze považovat za reprezentativní i bez ešení detailních
tlakových koeficient .
Výsledky po íta ové simulace byly zpracovány do graf jak pro celé letní období, tak pro vybraný
m síc, vybraných 14 dní a detailní pr b h vybraného dne. Detailní rozbor výsledk
po íta ové
simulace byl proveden na základ pr b h :
o St ední teploty po výšce fasády (pr m r teplot ve fasád v danou hodinu)
o Rozdílu st ední teploty po výšce fasády a venkovní teploty
o Maximální teploty ve fasád (nejvyšší teplota jedné z p ti zón v daný asový okamžik)
o Rozdílu maximální teploty ve fasád a venkovní teploty
Dále byl vypracován graf znázor ující teplotní profil po výšce fasády (obr.11.7) v každou
hodinu simulované periody. Vzhledem k rozsahu výsledk jsou v této práci prezentovány jen
vybrané reprezentativní grafy (obr. 11.6).
Miloš Lain 2007
154
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
6
5
4
3
T [K]
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
1.5. 10.5. 19.5. 28.5. 6.6. 15.6. 24.6.
3.7.
12.7. 21.7. 30.7. 8.8. 17.8. 26.8.
Den
4.9.
13.9. 22.9. 1.10.
Obr. 11.6 : Pr b h rozdílu st ední teploty vzduchu po výšce fasády a venkovní teploty pro celé léto
Teplota po výšce fasády
Teplota po výšce fasády
Výška fasády [m]
Výška fasády [m]
16
Výška fasády [m]
16
16
11
11
Teplota po výšce fasády
11
1
1
1
18
20
22
24
26
28
30
6
18
20
22
24
26
28
30
6
18
20
22
24
26
28
30
6
T epl ota [°C]
T epl ota [°C]
T epl ota [°C]
Obr. 11.7: Vertikální teplotní profil pro vybraný den v 11:30, 14:30, 16:30
Miloš Lain 2007
155
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11.2.4 Záv r simulace dvojité fasády
Po íta ové simulace ov ily vhodnost použití atypické prov trávané fasády pro objekt Národní
technické knihovny. Teploty vzduchu v mezifasádním prostoru jsou mírn vyšší, ale po v tšinu letního
období se blíží teplotám venkovního vzduchu. Po dobu 76 % letního období je teplotní rozdíl
v intervalu od -0,5 K do +2 K a po dobu 90 % léta se pohybuje v intervalu -1,5 K až +2,5 K.
Maximální rozdíly jsou -4,5 a +5,5 K (Obr. 11.8).
etnost v letním období
25%
20%
15%
10%
5%
0%
-4.3 -3.8 -3.3 -2.8 -2.3 -1.8 -1.3 -0.8 -0.3 0.25 0.75 1.25 1.75 2.25 2.75 3.25 3.75 4.25 4.75 5.25
Rozdíl st ední teploty ve fasád a venkovní teploty [K]
Obr. 11.8 : etnost výskytu teplotních rozdíl st ední teploty po výšce fasády a teploty
venkovního vzduchu v letním období
Miloš Lain 2007
156
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
11.3 Národní technická knihovna - model budovy
Pro ešení energetických bilancí budovy knihovny a dimenzování systému stropního chlazení
s akumula ní hmotou byl sestaven model v programu ESP-r. Vzhledem k tomu, že hlavní d raz byl
kladen na ešení celkové energetické bilance v prostorách knihovny, byl model sestaven pro nadzemní
ást knihovny. Tato ást budovy byla rozd lena do t inácti zón (Obr. 11.9).
•
ty i zóny pro jednotlivá podlaží knihovny – 3 NP, 4 NP, 5 NP, 6 NP.
•
ty i zóny pro jednotlivá podlaží kancelá í – kan 3NP, kan 4 NP, kan 5 NP, kan 6 NP.
•
Dv zóny pro klimatizované po íta ové u ebny – klim3NP, klim4NP.
•
Dv zóny pro dvoupatrové studovny – 34NP, 45NP
•
Jedna zóna pro atrium.
Model budovy byl vzhledem k technickým možnostem použitého software zjednodušen. Vlastní tvar
jednotlivých podlaží se v podstat shoduje s tvarem budovy, jen zak ivené tvary fasády musely být
nahrazeny rovnými úseky.
Obr. 10.9: Model budovy knihovny v programu ESP-r
11.3.1 Model proud ní vzduchu
Proud ní vzduchu budovou je reprezentováno sítí proud ní (flow network) Schéma sít je znázorn no
na obrázku 11.10. Vzduch je p ivád n do jednotlivých podlaží knihovny, po íta ových u eben,
dvoupatrových studoven i atria. Odvod vzduchu je pouze z horní ásti atria. To znamená, že vzduch
p ivedený do po íta ových místností nebo studoven prochází vždy p íslušným podlažím knihovny a
Miloš Lain 2007
157
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
z ní je spolu se vzduchem do této zóny p ímo p ivedeným odveden do atria. Proud ní vzduchu
budovou je uvažováno jako nucené s konstantním pr tokem vzduchu. Teplota p ivád ného vzduchu je
maximáln 22 °C (i tato teplota byla jedním z optimalizovaných parametr , z p vodních 25 °C byly
vzhledem k velké tepelné zát ži zm n na na 22 °C). Pokud je venkovní teplota nižší než 22 °C je
p ivád n tepeln neupravený venkovní vzduch.
Dále byl dopln n model v trání kancelá í, který p edpokládá intenzity v trání 5 1/h v dob kdy je
teplota venkovního vzduchu od 20 do 24 °C; 3 1/h v dob kdy je teplota venkovního vzduchu od 24
do 26°C; 1,5 1/h v dob kdy je teplota venkovního vzduchu nižší než 20 °C; 0,7 h-1 v dob kdy je
teplota venkovního vzduchu vyšší než 26 °C.
0.8 kg/s
2.6 kg/s
25°C
1.9 kg/s
45NP
0.8 kg/s
25°C
0.9 kg/s
25°C
0.7 kg/s
Poc4
0.7 kg/s
25°C
1.0 kg/s
34NP
1.0 kg/s
25°C
1.2 kg/s
Poc3
0.6 kg/s
25°C
0.6 kg/s
6NP
5NP
2.6 kg/s
2.7 kg/s
2.6 kg/s
4NP
3NP
25°C
Atrium
25°C
25°C
7.4 kg/s
1.8 kg/s
0.3 kg/s
Obr. 11.10: Model proud ní vzduchu budovou
11.3.2 Vnit ní tepelné zát že
Jak již bylo zmín no v p edchozích kapitolách má p esné ur ení vnit ní tepelné zát že velký význam
pro správné dimenzování nízkoenergetického chlazení. V budov Národní technické knihovny, kde
jsou díky vn jšímu stín ní, dvojité fasád , a velké hloubce objektu vn jší zisky minimální, se ukázaly
jako zásadní zisky z um lého osv tlení. V p vodních podkladech byla uvedena tepelná zát ž od
osv tlení 18 W/m2, což je však pro budovu se stropním chlazením p íliš velký výkon. Po d kladné
analýze se ukázalo, že skute ný výkon (p íkon) osv tlení, které bude v provozu v denních hodinách, je
díky velké ploše zastav né regály a ásti prostor osv tlených p irozen a ásti chodeb pouze 7,5 W/m2
(Tab. 11.1). Po íta ové u ebny mají výrazn vyšší vnit ní tepelné zisky, proto bylo již od p vodního
konceptu po ítáno s dopl kovým chlazením pro tyto u ebny. Velmi nízká tepelná zát ž se
p edpokládá v kancelá ích; to je zp sobeno tím, že zna ná ást kancelá ského traktu bude sloužit jako
skladovací prostor a hodnoty tepelné zát že jsou vztaženy na celkovou podlahovou plochu traktu..
P edpokládá se p sobení vnit ní tepelné zát že b hem provozu knihovny a to od 7:00 do 21:00.
Miloš Lain 2007
158
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab.11.1: Vnit ní tepelné zát že v prostorách knihovny
Osoby
Místnost
2
m /os
22
40 (v etn chodeb)
22
3,2
Knihovna
Kancelá e
Studovny
Po íta ové u ebny
Osv tlení
2
W/m
3,2
1,6
3,2
21,6
2
W/m
7,5
3
7,5
8
Technologie
W/m2
1,43
2,28
1,43
31,75
11.3.3 Model stropního chlazení
V prostoru knihovny a ítáren je uvažováno stropní chlazení s akumulací do stavební konstrukce, tzv.
aktivace betonu (slab cooling). V modelu je do betonové desky je v hloubce 150 mm p ivád n v
no ních hodinách (od 20:00 do 8:00) chladicí výkon 40 W/m2, což odpovídá teplotám chladicí vody
18/21 °C s rozte í trubek 150 mm (Obr. 11.11). Plocha chladicích strop p edstavuje p ibližn 71 %
celkové plochy stropu. Vzhledem k výsledk m simulace byla dopln na aktivace betonu i po dobu
jedné hodiny b hem dne (13:30-14:30).
Stropní chlazení je
ešeno v programu ESP-r
jednorozm rným nestacionárním vedením tepla. Pro ešení celkového provozu budovy a sytému je
toto ešení dostate n p esné a není t eba detailních 2D i 3D model .
V po íta ových u ebnách je požadována teplota 26 °C (p edpoklad použití klimatizace) po dobu
provozu knihovny (7:00-21:00). V kancelá ích nebylo uvažováno žádné chlazení.
Po íta ová simulace knihovny, studoven a kancelá í je tedy ešena v režimu pevn daných tepelných
tok a výsledkem je pr b h teplot. Oproti tomu po íta ové u ebny mají zadanou požadovanou teplotu
a výsledkem je pot ebný chladicí výkon.
Po íta ová simulace ur í pot ebné citelné chladicí výkony klimatizace nutné pro dodržení této teploty.
V kancelá ích nebylo uvažováno žádné chlazení.
11.3.4 Ov ení modelu
V n kolika krocích bylo provedeno up esn ní zadávaných podmínek, a to p edevším vnit ních zisk
v prostoru knihovny. Dále bylo provedeno ov ení použitých sou initel p estupu tepla konvekcí. Pro
stropní chlazení se
asto uvažuje zvýšení sou initele p estupu tepla oproti volné konvekci u
nechlazených ploch. Ov ení bylo provedeno analýzou citlivosti modelu na sou initel p estupu tepla.
Analýza prokázala, že vnit ní teploty se výrazn nem ní pro r zné sou initele p estupu tepla stropu.
Pro ov ení modelu chladicího stropu (chladicí výkon 40 W/m2) byly sledovány teploty uvnit
chladicího stropu. Z grafu na obrázku 11.11 je patrné že teplota kolísá mezi 18 °C a 23 °C, p i emž
v tšinou se pohybuje mezi 20 °C a 22 °C. V dob chlazení teplota klesá a v dob , kdy chlazení
v provozu není teplota stoupá. Tento pr b h teplot odpovídá režimu s teplotou chladicí vody 18°C a
omezenou kapacitou zdroje chladu.
Miloš Lain 2007
159
Nízkoenergetické chlazení budov -
III.NP
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
IV.NP
V.NP
Provoz chlazení
30
28
26
Teplota [°C]
24
22
20
18
16
14
12
10
12.7 13.7 14.7 15.7 16.7 17.7 18.7 19.7 20.7 21.7 22.7 23.7 24.7 25.7 26.7
Den
Obr. 11.11: Pr b h teplot uvnit stropu zón knihovny b hem vybraného období s vyzna ením doby
provozu chlazení s chlazením v noci a denním p ichlazováním
11.3.5 Výsledky po íta ové simulace
Simulace byla zam eny pouze na letní období a simulována byla perioda od kv tna do zá í. Režim
byl uvažován pouze chladicí, vytáp ní v simulaci není uvažováno.
Výsledky po íta ové simulace jsou prezentovány pro dv základní varianty provozu chladicích strop .
Ve variant 1 (V1) je stropní chlazení v provozu na plný výkon (cca 40 W/m2 ) v no ních hodinách
(od 20:00 do 8:00) a jednu hodinu b hem dne (13:30-14:30). Stropní chlazení se vypne pokud teploty
vzduchu v knihovn klesnou pod 20 °C. Ve druhé variant (V2) stropní chlazení je v provozu jen
v noci (20:00 -8:00 hod). Výsledky po íta ové simulace byla zpracovávány do ady graf a tabulek
(Lain 2006), z nichž jsou zde prezentovány pouze vybrané (obr.11.12, obr.11.13 a tab.11.2).
Pro hodnocení tepelné pohody by, p edevším u sálavých systém , m la být používána operativní
teplota zahrnující teplotu vzduchu, st ední radia ní teplotu a rychlost proud ní vzduchu. Z výsledk
simulací byly operativní teploty vyhodnoceny, ale vzhledem k velmi dobré shod operativních teplot a
teplot vzduchu jsou jako výsledky prezentovány teploty vzduchu.
Miloš Lain 2007
160
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Teplota vzduchu - varianta V 2
35.0
III.NP
34.NP
IV.NP
45.NP
V.NP
Venkovní vzduch
VI.NP
P ivád ný vzduch
33.0
Teplota vzduchu [°C]
31.0
29.0
27.0
25.0
23.0
21.0
19.0
17.0
15.0
13.0
11.0
12.7
13.7 14.7 15.7 16.7 17.7 18.7
19.7
20.7 21.7 22.7 23.7 24.7 25.7
26.7
Den
Obr. 11.12: Pr b h teploty vzduchu v jednotlivých podlažích knihovny b hem vybraného období p i
provozu chlazení stropu pouze v noci (varianta 2)
Teplota vzduchu - varianta V 1
35.0
III.NP
34.NP
IV.NP
45.NP
V.NP
Venkovní vzduch
VI.NP
P ivád ný vzduch
33.0
Teplota vzduchu [°C]
31.0
29.0
27.0
25.0
23.0
21.0
19.0
17.0
15.0
13.0
11.0
12.7
13.7 14.7 15.7 16.7 17.7 18.7
19.7
20.7 21.7 22.7 23.7 24.7 25.7
26.7
Den
Obr. 11.13: Pr b h teploty vzduchu v jednotlivých podlažích knihovny b hem vybraného období p i
provozu chlazení stropu v noci a jednu hodinu b hem dne (varianta 1)
Miloš Lain 2007
161
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Tab. 11.2: Výsledky simulace, etnosti teplot vzduchu v knihovn a studovnách
teplota vzduchu v rozsahu
Varianta 1
Zóna
III.NP
IV.NP
V.NP
VI.NP
34.NP
45.NP
U ebny U ebny
3.NP
4.NP
30.8
27.1
27.0
27.8
28.4
26.9
28.6
26.6
26.4
maximální
teplota
°C
< 20
hodin
2941
468
356
493
571
1454
1497
451
598
od 20 do
24
hodin
501
2172
2168
2062
1799
1670
1498
1049
1039
od 24 do
27
hodin
176
1051
1171
1105
1215
572
650
2196
2059
od 27 do
28
hodin
38
5
1
36
95
0
40
0
0
od 28 do
30
hodin
36
0
0
0
16
0
11
0
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
2%
0%
0%
1%
3%
0%
1%
0%
0%
Venkovní
vzduch
III.NP
IV.NP
V.NP
VI.NP
34.NP
45.NP
30.8
27.9
27.6
28.4
29.0
27.5
28.9
26.7
26.5
30 <
Období kdy je teplota
nad 27 °C
Varianta 2
teplota vzduchu v rozsahu
Venkovní
vzduch
Zóna
U ebny U ebny
3.NP
4.NP
maximální
teplota
°C
< 20
hodin
2941
252
196
329
394
1308
1425
420
567
od 20 do
24
hodin
501
1990
1954
1886
1656
1593
1471
1046
1022
od 24 do
27
hodin
176
1382
1474
1345
1415
792
734
2230
2107
od 27 do
28
hodin
38
72
72
123
174
3
48
0
0
od 28 do
30
hodin
36
0
0
13
57
0
18
0
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
30 <
11.3.6 Záv r - simulace budovy
Po íta ové simulace ov ily možnost použití sálavého chladicího systému s akumula ní hmotou
(aktivace betonu) pro p ipravovaný objekt Národní technické knihovny. Simulace byly provedeny pro
léto typického roku, p i mž bylo p edpokládáno plné vytížení knihovny. Pro tyto podmínky se
maximální vnit ní teploty vzduchu v lét budou pohybovat okolo 27 °C, pokud bude v provozu denní
p ichlazování. V p ípad pouze no ního chlazení betonu okolo budou maximální teploty blízké 28 °C.
Nejnep ízniv jší je situace v VI.NP knihovny a studovn ve IV. a V. NP.
V p echodovém období hrozí v no ních hodinách nebezpe í podchlazení objektu.
Miloš Lain 2007
162
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
V neklimatizovaných kancelá ích hrozí p ekro ení p ijatelných teplot z pohledu tepelné pohody
v letních extrémech. Proto je t eba zajistit ešení situace, a to bu
snížením tepelné zát že (stín ní,
mén osob…) nebo chlazením (nap . aktivací betonu).
11.4 Záv r
Tato p ípadová studie prokázala možnosti po íta ových simulací energetických bilancí budov pro
detailní návrh a optimalizaci budov se sálavým chlazením s akumula ní hmotou provozovaných
v cyklickém režimu.
Budova technické knihovny je správn navržena a systém stropního chlazení je schopen zajistit
tepelnou pohodu osob v letních m sících.
Dalším krokem je p ipravované monitorování budovy a optimalizace jejího provozu po jejím
dokon ení.
Obr. 11.14: Budova technické knihovny v roce 2007
Miloš Lain 2007
163
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
12 Záv ry
Tato diserta ní práce podala p ehled metod nízkoenergetického a pasivního chlazení budov s d razem
na budovy administrativní. Pro jednotlivé metody a základní okrajové podmínky byly zpracovány
rozsáhlé rešerše, analýzy a syntézy.
Pasivní nebo nízkoenergetické chlazení m že p edstavovat jediný zdroj chladu v administrativních
budovách, ale to pouze v p ípad , pokud má budova malou tepelnou zát ž, není požadována p esná
regulace teploty i vlhkosti vzduchu a budova je navržena i postavena a provozována v souladu
s t mito zásadami.
Investor stavby a uživatel objektu musí akceptovat vnit ní klima odpovídající adaptivní tepelné
pohod . Ta odpovídá maximálním teplotám 28°C pro b žný rok a až 29°C pro extrémní rok.
V pr b hu roku však m že i u správn
navržené budovy s pasivním nebo nízkoenergetickým
chlazením nastat relativn krátké asové období (zpravidla jen n kolik hodin), kdy jsou p ekro eny i
tyto teploty.
Standardní p ístup k parametr m vnit ního prost edí a tepelné pohod
vede k požadavk m na
maximální letní teploty 26°C. Tato hodnota je však prost ednictvím pasivního i nízkoenergetického
chlazení pom rn obtížn dosažitelná. V budovách s pasivním i nízkoenergetickým chlazením je pro
posuzování vnit ního prost edí vhodn jší užití adaptivního tepelného komfortu, který je založen na
schopnosti lidského t la adaptovat se na klimatické podmínky. Vzhledem k charakteru chování
budovy a systému u nízkoenergetického chlazení je vhodné posuzovat budovu spíše na základ
etnosti výskytu ur itých teplot, než podle maximálních vnit ních teplot.
Pasivní a nízkoenergetické chlazení využívá p irozeného zp sobu odvodu tepelné zát že, a proto je
velmi siln závislé na venkovních klimatických podmínkách. Rozsáhlé analýzy prokázaly, že klima
v eské republice je pro využití pasivního a nízkoenergetického chlazení budov vhodné. Jak no ní
chlazení, tak i adiabatické chlazení m že výrazn p isp t ke snížení spot eby energie budov na
chlazení.
Vnit ní tepelná zát ž je jedním ze základních parametr
pro návrh nízkoenergetických systém .
Systémy pasivního a nízkoenergetického chlazení mohou zajistit tepelnou pohodu jen v prostorech
s malou tepelnou zát ží. Analýza vnit ní tepelné zát že administrativních budov prokázala, že existují
technická ešení pro snížení tepelné zát že od osv tlení. Snížení tepelné zát že zp sobené výpo etní
technikou by m lo být jednou z priorit dalšího výzkumu. V p ípad , že výkony a aplikace výpo etní
techniky porostou stávajícím tempem, nebude širší uplatn ní pasivního a nízkoenergetického chlazení
v administrativních budovách možné. Technologie, které by mohly p isp t ke snížení tepelné zát že od
Miloš Lain 2007
164
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
výpo etní techniky, jsou p edstavovány zejména vodním chlazením procesor a po íta
a úspornými
režimy.
Pln pasivní budova z pohledu chlazení je t žká budova, tedy budova s velkou tepelnou hmotou. Okna
a prosklené plochy by m ly být co nejmenší, ale sou asn dostate n velké, aby zajistily p irozené
osv tlení a p irozené v trání v denních i no ních hodinách. Oslun ná okna by m la mít vn jší stín ní,
na jižní fasád je možné použít pevných stínících prvk , na východní a západní stran nastavitelných
vn jších žaluzií.
Cílem by m lo být dosažení co nejnižších vnit ních tepelných zisk , což výrazn ovliv uje nap íklad
velká podlahová plocha p ipadající na zam stnance, malé tepelné výkony výpo etní techniky,
energeticky úsporné osv tlení. Budova by m la být navržena tak, aby bylo možné p í né prov trání a
v trání vlivem rozdílu hustot (svislé šachty i atria, propojení místností a chodeb), a to jak p i denním,
tak i p i no ním v trání. M la by být p ijata taková opat ení, která umožní no ní v trání (okna horní
ásti výklopná tak, aby nedocházelo k zatékání p i dešti a nehrozilo nebezpe í vniknutí cizích osob
apod.). Investor a uživatel budovy by m l zam stnanc m umožnit tepelnou adaptaci v letním období
(lehké oble ení, otevírání oken). Okolí a povrchy budovy by m ly být provedeny tak, aby nedocházelo
k nár stu teplot vzduchu a výraznému tepelnému ostrovu. K tomu lze krom jiného p isp t i vhodným
využíváním vodních ploch, osazení zelení apod..
Parametry vnit ního prost edí by m ly být v rámci projektování ov eny energetickou simulací,
p i emž by m la následovat optimalizace režimu. Budovy navržené podle t chto zásad nemají žádnou
spot ebu energie na chlazení p i dodržení adaptivního tepelného komfortu. Z toho plyne záv r, že by
práv
takové budovy a systémy m ly být navrhovány v maximální mí e. Na druhou stranu
nedostatkem t chto budov je, že p irozené v trání neumož uje uplatn ní zp tného získávání tepla.
Z tohoto d vodu v zimních m sících nar stá spot eba na vytáp ní.
Další možností je navržení budovy v souladu se zásadami pro pasivní chlazení, p i emž je sou asn
použit nucený p ívod, p ípadn i odvod vzduchu. V trací systém by m l být navržen tak, aby jeho
tlakové ztráty byly co nejnižší a spot eba el.energie ventilátor nebyla v tší, než p ípadná spot eba
chlazení. Pr toky vzduchu odpovídající legislativním požadavk m (50 m3/h na osobu) odpovídají
intenzit v trání cca 2 1/h. Takové pr toky jsou však nedosta ující pro ú inné denní a no ní v trání a
pro odvod tepelné zát že. Doporu ené intenzity v trání odpovídají 5 až 15 1/h. Tento systém m že
pracovat jako no ní v trání, m že rovn ž využívat p ímého i nep ímého adiabatického chlazení nebo
zemních vým ník . Vždy je vhodné navrhovat a optimalizovat tento systém pomocí po íta ové
simulace energetických bilancí.
Spot ebu energie na chlazení budov m že rovn ž výrazn snížit sálavé chlazení s akumula ní hmotou.
Podobn jako ostatní metody nízkoenergetického chlazení se hodí pro budovy s nižší tepelnou zát ží,
Miloš Lain 2007
165
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
kde se p edpokládá teplotní adaptace osob v letním období. Sálavé chlazení je navíc díky vysokým
požadovaným teplotám vody ideální pro využití nízkopotenciálních zdroj chladu, jako je adiabatická
p íprava chladicí vody nebo využití spodní vody i zemních vým ník .
V p ípad , že jsou metody pasivního návrhu budovy kombinovány se strojním chlazením, je nesmírn
d ležité správné dimenzování a provoz tohoto strojního chlazení. P i p edimenzovaných výkonech
strojního chlazení je vysoké riziko, že celková spot eba el. energie bude vyšší, než p i použití pouze
strojního chlazení. U budov s vysokou tepelnou hmotou je d ležité p ipustit kolísání teploty b hem 24
hodin tak, aby tepelná hmota byla v maximální možné mí e využita pro snížení spot eby energie
strojního chlazení. N které systémy nízkoenergetického chlazení lze dob e kombinovat se strojním
chlazením a snížit tím kapacitu zdroje chladu a spot ebu energie (no ní v trání, sálavé chlazení, zemní
vým níky). U adiabatického chlazení nep ináší kombinace se strojním chlazením p íliš velké úspory, a
to díky nutnosti odvodu vázaného tepla chladi em.
Pro porovnání nízkoenergetického chlazení se standardním chlazením se jako zásadní problém ukazují
nedostate né podklady o energetických parametrech klimatiza ních za ízení. Další oblastí výzkumu
by m la být snaha o zjišt ní skute ných spot eb el. energie instalovaných klimatiza ních systém a
zdroj chladu administrativních budov. A to p edevším m ením a monitorováním budov a jejich
systém .
V této p edkládané diserta ní práci jsou prezentovány zásady a doporu ení pro p edb žný návrh
nízkoenergetického chlazení. No ní chlazení s vysokou tepelnou hmotou budovy dokáže odvést 20 až
30 W/m2 periodické tepelné zát že a snížit teplotu v prostoru o 2 až 3 K .
P ímé adiabatické chlazení dokáže ochladit p ivád ný vzduch na teploty blížící se teplot mokrého
teplom ru (ú innosti pra ek 80%) a spot eba vody bývá p ibližn 1,3 l/MJ chladicího výkonu.
Nep ímé adiabatické chlazení m že ochladit p ivád ný vzduch i pod teploty mokrého teplom ru
(až 120 %) v p ípad použití zkráp ných vým ník . Spot eba vody odpovídá p ibližn 1,5 l/MJ
chladu.
P i p edb žném návrhu sálavých systém s akumula ní hmotou lze uvažovat chladicí výkon 30 až
40 W/m2 pro strop a 20 až 30 W/m2 pro podlahy.
U zemního chlazení lze p edb žn
uvažovat špi kový chladicí výkon 45 W/m2 vztaženo na
teplosm nnou plochu zemního vým níku a celkov 8 až 10 kWh/m2 chladu za sezónu.
Detailní návrh a optimalizace systém pasivního a nízkoenergetického chlazení by se m l provád t na
základ po íta ových energetických simulací budovy, pop ípad pomocí zjednodušených simula ních
program ur ených pro jednotlivé nízkoenergetické metody chlazení.
Miloš Lain 2007
166
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Jak ukázala ada prezentovaných studií, detailní návrh a optimalizace systém využívajících prvky
nízkoenergetického chlazení metodou po íta ové simulace vede ke správnému dimenzování a provozu
t chto systém . Po íta ová simulace m že být použita ve všech stupních p ípravy projektu. V raných
stádiích (p edprojektová studie, úvodní projekt) musí být provedena ur itá zjednodušení díky
nedostate ným podklad m, ale výhodou je možnost radikálních zm n v koncepci budovy a systému.
V pozd jších etapách (provád cí projekt, realizace) jsou již dostupné detailní podklady, ale nelze již
zpravidla provád t v tší zm ny v koncepci budovy i systému.
Po íta ové simulace, m ení a monitorování skute ných budov a analýzy získaných hodnot ukazují, že
výrazných úspor m že být dosaženo nejen instalací nízkoenergetického chlazení, ale i optimalizací
návrhu a provozu klimatiza ních systém . Velmi problematické z pohledu spot eby energie je i
projektování, realizace, uvád ní do provozu a vlastní provozování systém
v trání
klimatizace.
Stávající situace v eské republice je s ohledem na využití nízkoenergetických zp sob
kritická. Snaha investor
o snížení náklad
chlazení
ve všech stupních p ípravy realizace staveb vede
k up ednost ování standardních ešení p ed ešeními komplexními, bez ohledu na spot ebu energie.
Proti tomu práv metody nízkoenergetického chlazení vyžadují velmi komplexní p ístup. K ur itému
zlepšení situace by mohla p isp t nová legislativa Evropské unie.
Na základ výsledk této práce je t eba iniciovat další výzkumy a ve ejnou diskuzi vedoucí ke zvýšení
pozornosti v nované spot eb energie budov pro chlazení.
Jednotlivé díl í výsledky této práce byly úsp šn prezentovány na ad národních i mezinárodních
konferencích a seminá ích. Záv ry této práce mohou napomoci ke zkvalitn ní vnit ního prost edí
budov a úsporám spot eby energie v letních m sících. Bylo identifikováno n kolik oblastí, kterým by
m la být v nována cílená pozornost v rámci dalších výzkum , které by mohly p isp t k dalšímu
snížení spot eb energie budov na chlazení.
Miloš Lain 2007
167
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Literatura
citovaná v diserta ní práci
Akbari, H. (2005) Energy Saving Potentials and Air Quality Benefits of Urban Heat
IslandMitigation.. Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California,
(http://repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-58285/)
Akbari, H.; Davis, S.; Dorsano, S.; Juany, J.; Winnett, S. (1992) Cooling Our Communities: A
Guidebook on Tree Planting and Light-Colored Surfacing, U. S. Environmental Protection Agency,
Office of Policy Analysis, Climate ChangeDivision.
Akbari, H.; menon, S.; Rosenfeld, A. (2007) Global cooling: effect of urban Albeno on global
temperature. Proceedings of 2nd PALEC konference and 28th AIVC Conference, Heliotopos
Conferences, Ahtens, pp 6-9, ISBN: 978-960-6746-04-8
Allard, F.; Ghiaus, C.; Mansouri, Y. (2003) Natural Ventilation Strategies, NAS EnerBuild RTD
proceedings Workshop, pp. 46-64, ISBN 8023907425
Allard, F.; Santamouris, M. (2002) Natural ventilation in buildings a design handbook. James &
James Ltd, 356 s, ISBN 1873936729
ASHRAE (2004) Handbook – HVAC System and Equipment, ISBN 1-931862-48-6
ASHRAE (2005) Handbook – Fundamentals, ISBN 1-931862-71-0
Barnard, N.; Jaunzens, D. (2001) Low Energy Cooling – Technology Selection and Early Design
Guidance. Building Research Establishment Ltd, London, 109 p.
Bartak, M.; Drkal, F.; Hensen, J.;Lain, M., 2001, Design Support Simulations For The Prague Zoo
"Indonesian Jungle" Pavilion, Proc. Building Simulation 2001, IBPSA, pp.841-845.
Barták, M.; Drkal, F. (2000) Analýza vnit ního klimatu budovy AB Michle, Zpráva . 00099/216,
Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze
Beausoleil-Morrison, I. (2000) 'The Adaptive Coupling of Heat and Air Flow Modelling Within
Dynamic Whole-Building Simulation'. PhD Thesis, Glasgow, University of Strathclyde.
Behne, M. (1997) Alternatives to Compressive Coolingin Non-Residential Buildings to Reduce
Primary Energy Consumption, Final report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,
California.
Beranová, R.; vedoucí práce Huth, R. (2002) Pražský tepelný ostrov: intenzita a dlouhodobé zm ny za
r zných synoptických podmínek, Diplomová práce, Katedra meteorologie a ochrany prost edí,
Matematicko-fyzikální fakulta, UK v Praze, s. 84, http://home.tiscali.cz/podnebi.
Clarke, J.A. (1985) Energy simulation in building design, Adam Hilger Ltd, Bristol (UK).
,ISBN 0-85274-797-7.
Costelloe B.; Finn D. (2003) Indirect Evaporative Cooling Potential in Air–Water Systems in
Temperate Climates. Energy and Buildings 35, Elsevier, pp.573–591, ISSN: 0378-7788.
Costelloe, B.; Finn, D (2003) Energy pergormance of indirect evaporative cooling application in
maritime temperate climates. Proc. International Congres of Refrigeration 2003, IIR, Washington
DC, ISBN 2-913149-32-4
de Dear, R.J.; Branger, G.S. (2002) Thermal comfort in naturally ventilated buildings: Revisions to
ASHRAE Standard 55, Energy and Buildings, vol 34, no 6, pp 549-561
Drkal, F.; Jelen, M.; Lain, M.; Mareš, L. (2002) Posudek klimatiza ního systému pro kancelá e C v
objektu Vodní stavby bohemia, Výzkumná zpráva, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT
v Praze.
Dunovská, T. (1999) Numerické modelování a po íta ová simulace tepelné balance v technice
prost edí, Diserta ní práce, VUT. 118 s.
Miloš Lain 2007
168
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Duška, M. - Drkal, F. - Hensen, J.(2007) Statistical Evaluation of Equipment Gain Measurement as
Boundary Conditions for Energy Simulation, Building Performance Simulation 2007, Praha, eská
technika - nakladatelství VUT, s. 145-152. ISBN 978-80-01-03796-6.
Duška, M. - Drkal, F. - Lain, M. (2004) Tepelné zisky z vnit ních vybavení administrativních budov,
Vytáp ní, v trání, instalace, ro . 13, . 5, s. 198-201. ISSN 1210-1389.
Duška, M. Drkal, F. Lain, M. (2004) Tepelné zisky z vnit ního vybavení administrativních budov,
sborník p ednášek Klimatizace a v trání 2004, Praha, Spole nost pro techniku prost edí, s. 165-174.
ISBN 80-02-01598-3
Duška, M., vedoucí práce Lain,M. (2002) Alternativní zp soby chlazení kancelá ských prostor,
Diplomová práce, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Dvo ák, J. (2002) Hlavni správa CEZ: no ní chlazeni. Simulace budov a techniky prost edí 2002,
IBPSA-CZ, Praha, s. 15-17, ISBN 8002015150.
ESRU, (2001) Building and Plant Energy Simulation Environment. User Guide Version 9 Series,
ESRU Publication. University of Strathclyde, Glasgow,
ESRU, (2002) Building and Plant Energy Simulation Environment, User Guide Version 10 Series,
ESRU Publication. University of Strathclyde, Glasgow.
Fanger, P.O.; Fortun, J. (2002) Extension of the PMV model to non-air-conditioned buildings in
warm climates, Energy and Buildings 34, p. 533-536, www.elsevier.com
Grosso, M., Wind pressure distribution around buildings: a parametrical model, Energy and Buildings
18 (1992), pp. 101–131.
Hanák, V., vedoucí práce Lain, M. (2007) Technická knihovna v Praze 6, Diplomová práce, Ústav
techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Hassid, S. (2000) Evaluation of passive cooling strategies for Israel. Environmental & Water
Resources, Engeneering Department. pp.228-235
Heap, R.D. (2001) Refrigeration and air conditioning – the response to climate change, Bulletin of
the IIR - No 2001-5.
Hemzal, K. (2007) P enosové jevy v technice prost edí.Skripta, Nakledatelství VUT, ISBN 978-8001-02924-4
Hensen, J.L.M. (1991) On the thermal interaction of building structure and heating and ventilating
system, PhD Thesis, Eindhoven University of Technology
Hofmeister, O., Kopecký, P., Tywoniak, J. (2004) SLUNAKOV Ecological Education Center – Basic
information, internal report, Prague
Hollmuller, P., Lachal, B. (2005) Buried pipe systems with sensible and latent heat exchange:
validation of numerical simulation against analytical solution and long-term monitoring. Proceedings
of 9th conference of IBPSA, Montreal, 2005.
Hopfe, C.J.; Struck, C; Harputlugil, G.U.; Hensen, J. (2006) Computational Simulation Tools for
Building Services Design- Professional’s Practice and Wishes.. 17. Konference Klimatizace a v trání
2006, pp. 297-302.
Houghton, J. (1998) Globální oteplování. Praha : Academia , 230 s. ISBN 80-200-0636-2
Chmel, P.; Drkal, F.; Lain, M. (2004) Tepelné zisky od slune ní radiace oknem.Klimatizace a v trání
2004, Praha, Spole nost pro techniku prost edí, s. 32-37. ISBN 80-02-01598-3.
Chyský, J (1995) Výpo et teplot vzduchu v místnostech bez klimatizace v letních podmínkách.,
Vytáp ní, v trání, instalace, ro . 4, . 1, s. 40-44. ISSN 1210-1389.
Chyský, J. (1995) Výpo et teplot vzduchu v místnosti bez klimatizace v letních podmínkách. VVI
1/95, Spole nost pro techniku prost edí, str. 40-44, ISSN 1210-1389
Chyský, J., Hemzal, K., a kol. (1993) V trání a klimatizace- Technický pr vodce. 3. vyd. Bolit, Praha,
490 str. ISBN 80-901574-0-8
Humphreys, M.;A., 1981, The dependence of comfortable temperature upon indoor and outdoor
climate, Bioengineering, Thermal Physiology and comfort, Elsevier, Oxford
Miloš Lain 2007
169
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
IEA, 1995, Review of Low Energy Cooling Technologies, Natural resources Canada, Ottawa, Canada,
88 p.
Ivanová, M.; vedoucí práce Lain,M. (2007) Monitorování klimatizace úst edí SOB, Diplomová
práce, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Kabele, K.; Urban, M.; Adamovský, D. (2007) Hodnocení energetické náro nosti budov – Národní
kalkula ní nástroj. Fakulta stavební, katedra technických za ízení budov, VUT v Praze,
(http://tzb.fsv.cvut.cz).
Kaiser, J.; vedoucí práce Lain,M. (2003) P vodní vzduchotechnické systémy historických objekt ,
Diplomová práce, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Kodytek, Z.; Lain, M. (2005) Kontrola klimatiza ních systém . Seminá k projektu Phare
CZ20003/004-338.02.02 Implementace Sm rnice EU o energetické náro nosti budov v R, 38 s.
Kolokotroni, M.; Aronis, A. (1999) Cooling-energy reduction in air-conditioned offices by using
night ventilation, Applied Energy 63, 241-253, ISSN: 0306-2619, Elsevier
Kopecký, P. (2006) Zemní vým ník tepla: model a validace. Vytáp ní, v trání, instalace, ro . 15, .
4, s. 198-202. ISSN 1210-1389
Kopecký, P. (2008) Návrh dimenzí zemních vým ník tepla. p ipravovaný lánek pro Vytáp ní,
v trání, instalace, ro . 17, . 2, ISSN 1210-1389
Koschenz M.; Dorer V. (1999) Interaction of an air system with concrete core conditioning. Energy
and Buildings 30, 139–145, ISSN: 0378-7788, Esevier.
Kotan, M., vedoucí práce Lain,M. (2007) No ní chlazení, Diplomová práce, Ústav techniky prost edí,
Fakulta strojní, VUT v Praze.
Kraj í, I (2003) Indirect adiabatic cooling with sprayer kross-flow heat Exchanger by water. Proc.
17th International Congres of Refrigeration , IIR, Washington DC, ISBN 2-913149-32-4
Lain, M (2006) Studie možností využití stávajícího sálavého vytáp ní pro chlazení bloku A2 Fakulty
strojní VUT v Praze. Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze, 8 s.
Lain, M.; Drkal, F.; Hensen J.; Zmrhal, V. (2004) Low Energy Cooling Techniques for Retrofitted
Office Buildings in Central Europe, Ventilation and Retrofitting. Brussels: AIVC INIVE EEIG, s. 7984. ISBN 2-9600355-6-9.
Lain, M. - Drkal, F. - Zmrhal, V. - Hensen, J. (2006) Využití akumula ní schopnosti betonové
konstrukce budovy pro snížení výkonu zdroje chladu. Simulace budov a techniky prost edí 2006.
Praha, IBPSA-CZ, s. 29-34, ISBN 80-01-03577-8.
Lain, M. (2007) Kontrola (inspekce) klimatiza ních za ízení. Vytáp ní, v trání, instalace. ro . 16, .
3, s. 160-161. ISSN 1210-1389.
Lain, M. (2002) Po íta ové simulace p i ešení alternativních zp sobu chlazeni budov, Proc.
Simulace budov a techniky prost edí 2002, IBPSA-CZ, p. 93 to 96,
Lain, M.; Drkal. F.; Hensen, J.; Zmrhal, V. (2005) Energetické simulace objektu v Praze 5 – I.Etapa
+ II.Etapa + III.Etapa , Výzkumná zpráva, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Lain, M.; Gártnerová, M.; Urie, M., (2001), Historické systémy v trání, Vytáp ní, v trání, instalace,
ro . 10, . 5, s. 159-162. ISSN 1210-1389.
Lain, M.; Liška, P. (2004) Tepelná zát ž od um lého osv tlení, Vytáp ní, v trání, instalace, ro . 13,
. 3, s. 89-93. ISSN 1210-1389.
Lain,M.; Drkal, F.; Hensen, J.; Zmrhal, V. (2006) Studie energetické simulace objektu „Státní
technická knihovna“ Praha 6, Dejvice, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze, 31 s.
Lain, M.; Drkal, F.; Hensen, J.; Zmrhal, V. (2006) Studie po íta ové simulace energetických bilancí
objektu nové budovy VUT Praha 6, Dejvice. Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT
v Praze,41 s.
Lain, M.; Duška,M.; Matejí ek, K (2003) Applicability Of Evaporative Cooling Techniques in the
Czech Republic, Proc. International Congres of Refrigeration 2003, IIR, Washington DC, ISBN 2913149-32-4
Miloš Lain 2007
170
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Levinson, R. (1997) Near-ground cooling efficacies of trees and high-albedo surfaces,, Lawrence
Berkeley National Laboratory, Report LBL-40334, Berkeley,
Loveday, D.L.; Parsons, K.C.; Taki, A.H.; Hodder, S.G.; Jeal, L.D. (2002) Displacement ventilation
environments with chilled ceilings: thermal comfort design within the context of the BS EN ISO7730
versus adaptive debate. Energy and Buildings 34, p. 573 – 579.
Lukeš, J.; vedoucí práce Duška, M.; (2007), Tepelné zisky od výpo etní techniky, Diplomová práce,
Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
McCartney, K.J.; Nicol, J.F. (2002) Developing an adaptive control algorithm for Europe: results of
the scats project, Energy and Buildings 34 (6), pp. 623–635.
McLaughlin, T.; Stribling, D.; Matthews, I.; Bissell, A.; Hughes, T. (2004) CSOB Headquarters
Prague Environmental Strategy Assessment, Buro Happold, Bath, UK, pp 73.
Nakhi A E (1995) Adaptive construction modelling within whole building dynamic simulation. PhD
Thesis, Glasgow, University of Strathclyde.
Nicol, F.; Pagliano, L. (2007) Allowing for thermal comfort in free-running buildings in the new
European Standard EN 15251, Proceedings of 2nd PALEC konference and 28th AIVC Conference,
Heliotopos Conferences, Ahtens, pp708-711, ISBN: 978-960-6746-04-8
Nicol, J. F.; 1973, Thermal comfort as a part of self regulating system, Bueilding Research and
Practice, vol 6, noo 3, pp 1991-197.
Nový, R.; a kolektiv (2000) Technika prost edí, skripta VUT, Praha, ISBN 8001021084
Oleson, B.W.; Liedelt D. F. (2000) Cooling and Heating of Buildings by Activating Their Thermal
Mass with Embedded Hydronic Pipe Systems. CIBSE Konference, Dublin 2000
http://www.cibse.org/pdfs/Embedded%20Hydronic%20Pipe%20Sys.pdf
Oleson, B.W. (2005) Concrete core activation ‘the technologie of the future. p ednáška na seminá i:
Thermisch welbehagen in de verzorgingssector, TU-e, Eindhoven
Olsen E.L.; Chen, Q.Y. (2003) Energy consumption and comfort analysis for different low-energy
cooling systems in a mild climate, Energy and Buildings, Volume 35, Issue 6, July 2003, Pages 560571, Elsevier.
Ostrý, M (2006) Potenciál využití materiál s fázovou zm nou v lehkých konstrukcích.. Budovy a
prostredie 2006, Slovenská spolo nost pre techniku prostredia ZSVTS Bratislava, ISBN 978-80-2272759-4.
Pfaferott, J.; Herkel S.; Wambsganβ, M. (2004) Design, monitoring and evaluation of a low energy
office building with passive cooling by night ventilation. Energy and buildings 36, Elsevier Science,
str. 455-465
Pfaferott, J.; Herkel S.; Wapler, J. (2005): Thermal building behaviors in summer: long-term data
evaluation using simplified models. Energy and buildings 37, Elsevier Science. str. 844-852
Pretel, J.; a kol. (2001) T etí rámcové sd lení eské republiky k rámcové smlouv OSN o zm n
klimatu, Ministerstvo životního prost edí eské republiky, 124 s, ISBN 80-7212-195-2.
P ikryl, M., vedoucí práce Lain,M., (2007), No ní chlazení administrativních budov, Diplomová
práce, Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
Roel, H. (2000) Low Energy Cooling – Detailed Design Tools, Building Research Estabilishment Ltd,
London, 327 p.
Santamouris, M. (2007) Advances in passive cooling, Erthscan, London, 311s, ISBN13
9781844072637.
Santamouris, M.; Argiriou, A.; Dascalaki, E.; Balaras, C.; Gaglia, A. (1994) Energy characteristics
and savings potential in office buildings. Solar Energy 52 , pp. 59–66.
Santamouris, M.; Asimakopoulos, D.; (1996) Passive Cooling of Buildings, James & James Ltd.;
London, U.K.; 472 p.
Santamouris, M.; Dascalaki, E. (2002) Passive retrofitting of office buildings to improve their energy
performance and indoor environment: the OFFICE project, Building and Environment, Volume 37,
Issue 6, Pages 575-578
Miloš Lain 2007
171
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Santamouris, M.; Mihalakakou, G.; Argiriou A.; Asimakopoulos D. (1996), On the efficiency of night
ventilation techniques for thermostatically controlled buildings. Solar Energy 56, pp. 479–483.
Sazima, M.; Kmoní ek, V.; Schneller, J. (1989) Teplo. SNTL-Nakladatelství technické literatury,
Praha, s. 588, ISBN 8003000432
Stec W.J.; Van Paassen A.H.C. (2005) Symbiosis of the double skin facade with HVAC
system, Energy and Building,s Vol. 37, pp. 461-469.
Strachan, P.A.; Kokogiannakis, G.; Macdonald, I.A. (2006) History and development of validation
with the ESP-r simulation program, Building and Environment,Volume 43, Issue 4, , Part Special:
Building Performance Simulation, Pages 601-609.
Šmolík, J., vedoucí práce Lain,M. (2006) Spot eba energie pro klimatizaci budov, Diplomová práce,
Ústav techniky prost edí, Fakulta strojní, VUT v Praze.
TC 156 WI 098 (2005) Ventilation for buildings- Energy performance of buildings- Gudelines for
inspection of air-conditioning systems. Technical Committee CEN/TC 156 (Ventilation for
buildings).
Todorovi M. (2007) Optimizationof air-conditioning system energy consumption by
applying night ventilation, PhD thesis, Faculty of Mechanical Engineering, Belgrade.
Urban, M.; Kabele, K.; Adamovský, D. (2007) Popis metodiky výpo tu hodnocení energetické
náro nosti budov podle vyhlášky 148/2007 Sb.. 6.8.2007. TZB-info, Praha. (www.tzb-info.cz).
Zimmeramann, M. (1995) Rewiew of Low Energy Cooling Technologies, IEA Anex 28 – Low energy
cooling, Narural resources Canada, Ottawa, Canada, 88s.
Zmrhal, V. (2005) Tepelný komfort a energetická bilance systému s chladicím stropem, Diserta ní
práce, VUT. 184 s.
Zmrhal, V.; Drkal, F.; Lain, M.; Mareš, L.;(2008), Stanovení vnit ní tepelné zát že pr myslových hal,
sborník p ednášek Klimatizace a v trání 2008, Praha, Spole nost pro techniku prost edí.
VDI 2078 Cooling load calculation of air-conditioned rooms, 1994
SN 73 0548, Výpo et tepelné zát že klimatizovaných prostor, eská státní norma, 1985
SN EN 410 Sklo ve stavebnictví – Stanovení sv telných a slune ních charakteristik. eský
normaliza nmí institut. 2000
SN EN ISO 7726 Ergonomie tepelného prost edí – p ístroje pro m ení fyzikálních veli in. eský
normaliza ní institut. 2006
SN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prost edí – Analytické stanovení a interpretace tepelného
komfortu pomocí ukazatel PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu, eský normaliza ní
institut 2006
Na ízení vlády 178/2001 Sb. 2001, kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zam stnanc p i
práci, se zahrnutím zm n 523/2002 Sb.; 441/2004 Sb.; 441/2004 Sb.
Miloš Lain 2007
172
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Publikace autora související s diserta ní prací
Sborníky
Lain, M. - Hensen, J. (ed.) Modelling and Simulation for Environmental Engineering, Praha: CTU
Publishing House, 2004. 133 s. ISBN 80-01-03098-9.
Lain, M. (ed.) Nízkoenergetické chlazení budov, Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2005. 120
s. ISBN 80-02-01779-X.
Stati ve sborníku
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. Computer Simulations - Energy Saving Desing Tool,
In: EEBW 2000 Energy Efficiency Bussines Week 2000. Prague: SEVEn, 2000, s. 219-222.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. Design Suport Simulations for The Prague Zoo
Indonesian Jungle Pavilion In: Building Simulation 2001. Kyoto: IBPSA, 2001, vol. 1, s. 841-845.
ISBN 85-901939-3-4.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. Simulation for (Sustainable) Building Design: Czech
Experiences, In: Newly Associated States Ener Build RTD - Proceedings Workshop. Praha: Czech
Technical University in Prague, 2003, s. 122-127. ISBN 80-239-0742-5.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. - Matuška, T. - et al. ESP-r: Integrated Simulation Tool
for Design of Building and Systems, In: Proceedings of Workshop on Integrated Building Simulation.
Gliwice: Centre for Energy Efficient Technologies and Systems in Indoor Environment Engineering,
2003, s. 108-116. ISBN 83-907937-6-8.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. - Matuška, T. - et al. Simulation to Support Sustainable
HVAC Design for Two Historical Buildings in Prague, In: PLEA 2001. Brazil: Centro Tecnologico,
Universidade Federal Do Espírito Santo, 2001, vol. 1, s. 903-908. ISBN 85-90-13324-9.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. - Schwarzer, J. Computer Simulations for State-of-theArt Engineering Design of a Commercial Building in Prague, In: AED 2003 [CD-ROM]. Praha:
Procesní inženýrství Ing. J. Novosad, 2003, ISBN 80-86059-35-9.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. - Schwarzer, J. - et al. An Approach to Teaching and
Research of Simulation for Environmental Engineering Design, In: AED 2003 [CD-ROM]. Praha:
Procesní inženýrství Ing. J. Novosad, 2003, ISBN 80-86059-35-9.
Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. - Schwarzer, J. - et al. Simulation for (Sustainable)
Building Design: Czech Experiences, In: Clima 2000 - Napoli 2001 [CD-ROM]. Milan: 2001, vol. 1,
s. 354-363.
Barták, M. - Drkal, F. - Lain, M. Optimalizace v trání atria po íta ovou simulací, In: Vetranie a
klimatizácia 2000. Bratislava: Slovenská spolo nost pro techniku prostredia, 2000, s. 85-90.
Barták, M. - Drkal, F. - Lain, M. Využití po íta ových simulací energetických bilancí budov a za ízení
techniky prost edí pro výuku, In: Pedagogický software 2000. eské Bud jovice: Scientific
Pedagogical Publishing, 2000, s. 16. ISBN 80-85645-40-8.
Barták, M. - Hensen, J. - Lain, M. - Paulovi , L. Nová solární data v klimatické databázi TRY Praha,
In: Simulace budov 2000. Praha: IBPSA-CZ, 2000, s. 7-12. ISBN 80-02-01375-1.
Drkal, F. - Barták, M. - Lain, M. - Hensen, J. - Schwarzer, J., P ísp vek k vývoji ve v trání a
klimatizaci, In: 50 let výuky Techniky prost edí na Fakult strojní VUT v Praze. Praha: VUT,
Fakulta strojní, 2001, s. 39-48. ISBN 80-01-02431-8.
Drkal, F. - Barták, M. - Lain, M. - Hensen, J. - Schwarzer, J. Simula ní a experimentální technika pro
v trání a klimatizaci, In: Strojné inžinierstvo 2001. Bratislava: STU, 2001, s. 1-8.
Duška, M. - Drkal, F. - Lain, M. Tepelné zisky z vnit ních vybavení administrativních budov, In:
Klimatizace a v trání 2004. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2004, s. 7-15. ISBN 80-0201598-3.
Chmel, P. - Drkal, F. - Lain, M. Tepelné zisky od slune ní radiace oknem, In: Klimatizace a v trání
2004. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2004, s. 32-37. ISBN 80-02-01598-3.
Miloš Lain 2007
173
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Chmel, P. - Lain, M. Posouzení no ního v trání kancelá e pomocí po íta ové simulace, In: Sborník 2.
národní konference IBPSA-CZ Simulace budov a techniky prost edí 2002. Praha: IBPSA-CZ, 2002, s.
45-48. ISBN 80-02-01515-0.
Lain, M. Computer Simulation for new Technical Library Building, In: Building Performance
Simulation 2007. Praha: eská technika - nakladatelství VUT, 2007, s. 64-72. ISBN 978-80-0103796-6.
Lain, M. Dimenzování a optimalizace no ního v trání s použitím po íta ové simulace, In:
Nízkoenergetické chlazení budov. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2005, s. 25-32. ISBN 8002-01779-X.
Lain, M. Pasivní a nízkoenergetické systémy chlazení budov, In: Nízkoenergetické chlazení budov.
Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2005, s. 3-6. ISBN 80-02-01779-X.
Lain, M. Po íta ové simulace energetických bilancí, In: Po íta pro vzduchotechniky. Praha:
Spole nost pro techniku prost edí, 2001, s. 38-42.
Lain, M. Po íta ové simulace p i ešení alternativních zp sob chlazení budov, In: Sborník 2. národní
konference IBPSA-CZ Simulace budov a techniky prost edí 2002. Praha: IBPSA-CZ, 2002, s. 93-96.
ISBN 80-02-01515-0.
Lain, M. Použití simula ních metod pro stanovení pot eby tepla, In: Spot eba tepla p i úst edním
vytáp ní obytných budov, cesty k úsporám. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 1999, s. 10-14.
Lain, M. Používání výpo etní techniky v technice prost edí, In: Klimatizace a v trání pro p íští století.
Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 1999, s. 133-137. ISBN 80-02-01315-8.
Lain, M. Tepelná pohoda osob p i použití chladivových systém , In: Chladivové klimatiza ní
systémy. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2007, s. 37-39. ISBN 978-80-02-01932-9.
Lain, M. - Barták, M. Použití informa ních technologií ve vzduchotechnice, In: Klimatizace a V trání
2002. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2002, díl 1, s. 111-116. ISBN 80-02-01477-4.
Lain, M. - Barták, M. Používání výpo etní techniky v technice prost edí, In: 15. konference o vytáp ní
- sborník p ísp vk . Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 1997, s. 239-253. ISBN 80-20-01139-2.
Lain, M. - Barták, M. Riziko pr vanu v místnostech chlazených jednotkami s p ímým chladivovým
okruhem, In: Klimatizácia a chladenie 2003. Rovinka: Slovenský zväz pre chladiacu a klimatiza ní
techniku, 2003, s. 91-95. ISBN 80-968986-1-2.
Lain, M. - Barták, M. Využití modelu proud ní p i energetické simulaci objemných prostor, In:
Simulace budov 2000. Praha: IBPSA-CZ, 2000, s. 101-104. ISBN 80-02-01375-1.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Computer Simulation and Measurements of a Building
with Top-Cooling, In: Building Simulation 2005. Montreal: IBPSA, 2005, s. 420-428. ISBN 2-55301152-0.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Design and Commissioning of the Low-Energy Office
Building in Prague, In: Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment. Athens:
Heliopotos conferences, 2005, vol. 2, s. 913-917. ISBN 960-88153-3-9.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Simulation to Support Passive and Low Energy Cooling
System Design in the Czech Republic, In: Solar Renewable Energy News 2005. Bratislava: Comenius
University, 2005, vol. 2, s. 31-33. ISBN 80-223-2045-5.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Uplatn ní po íta ových simulací p i dimenzování
klimatiza ních za ízení, In: Klimatizácia a chladenie 2003. Rovinka: Slovenský zväz pre chladiacu a
klimatiza ní techniku, 2003, s. 78-83. ISBN 80-968986-1-2.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Use the Computer Simulation for Evaluation Low
Energy Cooling, In: Energy Efficient Technologies in Indoor Environment. Gliwice: Silesian
Technical University, 2005, . ISBN 83-922941-0-6.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Využití po íte ové simulace p i návrhu klimatizce nové
galerie v objektu Sovových mlýn , In: Sustainable Building & Solar Energy 2001. Brno: Brno
University, 2001, díl 1, s. 80-83.
Miloš Lain 2007
174
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Lain, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Zmrhal, V. Low Energy Cooling Techniques for Retrofitted Office
Buildings in Central Europe, In: Ventilation and Retrofitting. Brussels: AIVC INIVE EEIG, 2004, s.
79-84. ISBN 2-9600355-6-9.
Lain, M. - Drkal, F. - Zmrhal, V. - Hensen, J. Využití akumula ní schopnosti betonové konstrukce
budovy pro snížení výkonu zdroje chladu, In: Simulace budov a techniky prost edí 2006. Praha:
IBPSA-CZ, 2006, s. 29-34. ISBN 80-01-03577-8.
Lain, M. - Duška, M. - Mat jí ek, K. Applicability of Evaporative Cooling Techniques in the Czech
Republic, In: Proceedings 21st International Congress of Refrigeration [CD-ROM]. Paris:
International Institute of Refrigeration, 2003, ISBN 2-913149-32-4.
Lain, M. - Gartnerová, M. - Schneidrová, E. The Original Ventilation Systems of Historical Buildings
In: Proceedings of Workshop 2000. Prague: CTU, 2000, vol. B, s. 615. ISBN 80-01-02229-3.
Lain, M. - Hensen, J. Alternativní zp soby chlazení budov, In: Sborník p ísp vk konference
CEERES 03. eské Bud jovice: Energy Centre eské Bud jovice, 2003, s. 83-88. ISBN 80-2391142-2.
Lain, M. - Hensen, J. Combination of Low Energy and Mechanical Cooling Technologies for
Buildings in Central Europe, In: Compressors and Coolants. Rovinka: SZ CHKT, 2004, s. 15-20.
ISBN 80-968986-2-0.
Lain, M. - Hensen, J. Computer Simulation of a Commercial Building with Top Cooling, In:
Modelling and Simulation for Environmental Engineering. Praha: CTU Publishing House, 2004, s. 7578. ISBN 80-01-03098-9.
Lain, M. - Hensen, J. Kalibrace modelu pro simulace chlazení administrativní budovy se zvýšenou
tepelnou setrva ností, In: Simulace budov a techniky prost edí 2004. Praha: VUT, 2004, s. 77-80.
ISBN 80-02-01678-5.
Lain, M. - Hensen, J. Nízkoenergetické chlazení budov, In: Klimatizace a v trání 2004. Praha:
Spole nost pro techniku prost edí, 2004, s. 239-244. ISBN 80-02-01598-3.
Lain, M. - Hensen, J. Passive and Low Energy Cooling Techniques for the Czech Republic, In:
Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment. Athens: Heliopotos conferences, 2005,
vol. 1, s. 197-202. ISBN 960-88153-3-9.
Lain, M. - Hensen, J. Passive and Low Energy Cooling Techniques in Buildings, In: 17th AirConditioning and Ventilation Conference 2006. Praha: Spole nost pro techniku prost edí, 2006, s.
183-188. ISBN 80-02-01811-7.
Lain, M. - Hensen, J. The Optimization of the Mechanical Night Cooling System in the Office
Building, In: Compressors 2006. Bratislava: Slovak Association for Refrigeration and AirConditioning Technology, 2006, s. 254-261. ISBN 80-968986-5-5.
Lain, M. - Kvaltin, J. Low - Energy Cooling Techniques for Buildings, In: Proceedings of Workshop
2001. Prague: CTU, 2001, vol. B, s. 828-829. ISBN 80-01-02335-4.
Lain, M. - Zmrhal, V. - Drkal, F. - Hanák, V. Aktivace betonu - Státní technická knihovna In: Budovy
a prostredie 2007. Bratislava: Slovenská spolo nost pro techniku prostredia, 2007, s. 74-79. ISBN
978-80-227-2759-4.
Lain, M. - Zmrhal, V. - Drkal, F. - Hensen, J. Po íta ové simulace nov stav né administrativní
budovy, In: Budovy a prostredie 2006. Bratislava: STU, 2006, s. 71-74. ISBN 80-227-2518-8.
Lain, M. - Zmrhal, V. - Drkal, F. - Hensen, J. Slab Cooling System Design Using Computer
Simulation, In: Central Europe towards Suistainable Bulding 07 Prague. Prague: CTU, Faculty of
Civil Engineering, 2007, s. 599-605. ISBN 978-80-903807-8-3.
Lain, M. - Zmrhal, V. - Hensen, J. Low Energy Cooling for Buildings in the Middle Europe - Case
Studies, In: Proceedings of the 2nd PALENC Conference and the 28th AIVC Conference. 28
Ypsilantou str., GR-172 36 Dafni, Athens: Heliotopos Conferences Ltd., 2007, s. 597-601. ISBN 978960-6746-02-4.
Zmrhal, V. - Drkal, F. - Hensen, J. - Lain, M. Možnosti využití nízkoenergetického chlazení v
rekonstruovaných budovách, In: Simulace budov a techniky prost edí 2004. Praha: VUT, 2004, s.
131-135. ISBN 80-02-01678-5.
Miloš Lain 2007
175
Nízkoenergetické chlazení budov -
VUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prost edí
Zmrhal, V. - Lain, M. - Drkal, F. Po íta ová simulace p irozen v traných lodžií bytového objektu, In:
Simulace budov a techniky prost edí 2006. Praha: IBPSA-CZ, 2006, s. 45-48. ISBN 80-01-03577-8.
Kapitoly v knize
Hensen, J. - Barták, M. - Drkal, F. - Dunovská, T. - Lain, M. - et al. Building Performance Simulation
as a Design Tool for Refurbishment of Buildings, In: Simulationsmethoden bei der Planung von
Neubauten
und
Instandsetzungen.
München:
WTA
Wissenschaftlich-TechnischeArbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege e.V., 2004, s. 15-28. ISBN 3-93706601-2.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Vykorzystanie simulacji komputerowej do oceny
niskoenergetycznych systemow chlodzenia w czechach In: Energooszczedne ksztaltowanie
srodowiska wewnetrznego. Gliwice: Politechnika Slaska, 2005, s. 324-339. ISBN 83-922941-1-4.
lánky v asopisu
Barták, M. - Drkal, F. - Lain, M. - Hensen, J. Po íta ové simulace pro návrh klimatizace pavilonu
Indonéská džungle Zoo Praha, In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2003, ro . 12, . 1, s. 43-45. ISSN
1210-1389.
Duška, M. - Drkal, F. - Lain, M., Tepelné zisky z vnit ních vybavení administrativních budov, In:
Vytáp ní, v trání, instalace. 2004, ro . 13, . 5, s. 198-201. ISSN 1210-1389.
Lain, M. Alternativní chlazení obytných budov, In: Alternativní energie. 2004, ro . 7, . 3, s. 36-38.
ISSN 1212-1673.
Lain, M. Kontrola (inspekce) klimatiza ních za ízení, In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2007, ro . 16, .
3, s. 160-161. ISSN 1210-1389.
Lain, M. Nízkoenergetické chlazení budov, In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2003, ro . 13, . 5, s. 206207. ISSN 1210-1389.
Lain, M. Trendy ve vývoji klimatizace a v trání, In: Klimatizace. 2007, ro . 39, . 1, s. 79.
Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. Využití po íta ové simulace p i návrhu klimatizace nové
galerie v objektu Sovových mlýn , In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2002, ro . 11, . 2, s. 68-70. ISSN
1210-1389.
Lain, M. - Gártnerová, M. - Urie, M. Historické systémy v trání, In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2001,
ro . 10, . 5, s. 159-162. ISSN 1210-1389.
Lain, M. - Liška, P. Tepelná zát ž od um lého osv tlení, In: Vytáp ní, v trání, instalace. 2004, ro .
Miloš Lain 2007
176

Podobné dokumenty

ROZDÍLOVÁ ZKOUŠKA k autorizaci podle zákona č. 360

ROZDÍLOVÁ ZKOUŠKA k autorizaci podle zákona č. 360 h) popis a schematické znázornění průběhu teplot ve vícevrstvé konstrukci, oddělující prostředí s rozdílnými teplotami i) základní výpočtové hodnoty vnější a vnitřní teploty a relativní vlhkosti vz...

Více

petice_interspar.

petice_interspar. blízkosti a t emi dalšími hypermarkety vzdálenými n kolik minut jízdy MHD. 2) Nevhodnost ob í stavby do prostoru ohrani eného obytnou zástavbou a odporující zásadám budování m st. 3) Zám r nebyl p ...

Více

Návod pro obsluhu, nastavení řízení a údržbu výtahu

Návod pro obsluhu, nastavení řízení a údržbu výtahu Ovladae ve stanicích ……………………………………………………………………………. Ovladae v kleci …………………………………………………………………………………. Duplexní interkom ...............................................................................

Více

energeticky efektivní chlazení budov

energeticky efektivní chlazení budov Září 2015 Zpracováno v rámci projektu „Národní strategie adaptace budov na změnu klimatu“. Podpořeno grantem z Islandu, Lichtenštejnska a Norska. Supported by grant from Iceland, Liechtenstein and ...

Více

Skupinové rodinné domy

Skupinové rodinné domy kídla ze strany pístupové komunikace na pravé i levé stran pdorysu vzniká „T“ nebo „Z“ ƒ kratší kídlo má vtšinou funkci vstupního prostoru a hospodáskou (garáž, sklad, hobby) ƒ vlastní bydl...

Více