Počítačové simulace pro návrh klimatizace pavilonu Indonéská džungle ZOO Praha

V pražské zoologické zahradě se má vybudovat nový pavilon Indonéská džungle, ve kterém budou umístěny zvířata a rostliny z tropického deštného pralesa, a tomu má odpovídat i vnitřní prostředí pavilonu. Počítačový model tohoto atypického objektu byl využit již v první etapě zpracování projektové dokumentace pro základní dimenzování systému vytápění, větrání a klimatizace. Výstupy simulačních výpočtů byly mimo jiné potřebné chladicí a topné výkony a předpokládané spotřeby energie.

POPIS OBJEKTU
Hlavní částí pavilonu má být hala o objemu více než 14 700 m³ s průsvitnou kopulovitou střechou s povrchem cca 1 900 m². Živočichové umístění v pavilónu nemají (až na výjimky) k dispozici žádné uzavřené prostory, ve kterých by se udržovaly specifické podmínky. Vnitřní prostředí celé haly by mělo odpovídat tropickému podnebí v oblasti Indonésie. Prostor není rozdělen žádnými stěnami a zvířata (převážně opice) jsou oddělena od návštěvníků pouze vodními plochami.

Požadované vnitřní podmínky byly přibližně stanoveny odborníky zoologické zahrady:

• teplota vzduchu ve dne 22 až 25 °C, relativní vlhkost vzduchu minimálně 70 %;
• povolené krátkodobé extrémy min. teploty vzduchu 18 °C a max. 35 °C;
• noční teploty vzduchu nižší oproti denním o 4 až 6 °C, minimum 18 °C;
• teplota vody v nádržích není regulovaná, tj. je ovlivněna teplotou vnitřního prostředí.

Obvodové stěny budovy a podlahy přiléhající k zemině jsou ze železobetonu tloušťky 30 cm s tepelnou izolací z polystyrenu. Izolační vlastnosti (tepelné odpory) vnějších konstrukcí odpovídají doporučeným hodnotám dle ČSN 73 0540-2. Vnitřní konstrukce jsou ze železobetonu tloušťky 15 cm (stěny) nebo 30 cm (stropy, podlahy) bez tepelné izolace. Objekt bude částečně vnořen do terénu, což napomůže stabilitě vnitřních teplot vzduchu.

Pro transparentní zastřešení modelované budovy byly uvažovány panely Plexiglas SDP 16. Panely jsou tvořeny dvěma rovnoběžnými deskami z akrylátu o tloušťce cca 2 mm, které spojují distanční žebra ze stejného materiálu. Žebra vytvářejí uvnitř panelu podlouhlé komůrky. Celková tloušťka panelu je 16 mm. Pro transparentní konstrukce jsou v dynamických simulacích nutné, kromě hodnot součinitele prostupu tepla, rovněž optické a tepelné vlastnosti v závislosti na úhlu dopadu slunečních paprsků. Úhlová závislost pro součinitele propustnosti a pohltivosti slunečního záření však nebyla k dispozici a bylo nutno ji aproximovat na základě dostupných dat od výrobce (pro kolmý dopad slunečních paprsků) a údajů o podobných transparentních konstrukcích.

MODEL
Velikost a tvar modelu jsou dány podobností s reálnou budovou ve smyslu velikosti objemu vnitřního prostoru a plochy vnějších povrchů. Zakřivené plochy zastřešení a svislých stěn (viz obr. 1) jsou v modelu nahrazeny rovinnými povrchy; například střecha tvořená částí povrchu rotačního elipsoidu byla nahrazena 13 rovinnými plochami. Vnitřní prostor je rozdělen do tří termálních zón, z nichž největší zóny A a B reprezentují velkou halu s rozdílnými teplotami pod střechou a ve spodní části, zóna C představuje speciální prostor pro noční živočichy (tzv. nokturno). Geometrie modelu, jak byla definována v simulačním programu ESP-r, je patrná z obr. 2.

Obr. 1: Tvar budovy zobrazený CAD softwarem

Obr. 2: Tvar modelu definovaného v ESP-r

V modelu se uvažovaly citelné i latentní zisky od zvířat a návštěvníků. Infiltrace případně větrání čerstvým vzduchem byly podrobně analyzovány, což je popsáno v další části příspěvku. Dále bylo nutné v modelu vystihnout rozložení hmot a tepelných kapacit. Z tohoto hlediska byly důležité vodní nádrže, jejichž vliv na akumulaci tepla byl uvažován.

KALIBRACE MODELU
Kalibrace modelu je velmi důležitým krokem pro zajištění spolehlivosti počítačových simulací. V mnoha případech je však přímá kalibrace (tj. cestou porovnání simulovaných stavů s naměřenými daty v reálné budově) nemožná. To platí především pro nově projektované atypické budovy, jako je zde diskutovaný pavilon zoologické zahrady. Jednou z mála možností, které v takovémto případě zbývají, je porovnání výsledků simulací s hrubými odhady energetických bilancí a stanovení nejméně příznivých provozních a venkovních podmínek (na základě zkušenosti).

Dalším praktickým krokem může být citlivostní analýza, tzn. posouzení citlivosti modelu na změnu určitých parametrů. Například pro model pavilonu byla zjišťována citlivost na vnitřní zisky od osob a živočichů, protože nebylo zcela jasné, kolik návštěvníků se bude v objektu nacházet (počet osob se může snížit i např. pod vlivem zvýšené venkovní tepelné zátěže) a nebyly k dispozici údaje o metabolickém teple exotických živočichů. Jak je patrné z grafů na obr. 3a, 3b, počet osob v objektu má relativně malý vliv na jeho energetickou bilanci a zisky od živočichů, jichž je malý počet, lze zcela zanedbat.

Obr. 3a: Citlivost modelu na vnitřní citelné zisky; citelná zátěž objektu během vybraného letního dne při návštěvnosti 0, 100 a 200 osob

Obr. 3b: Citlivost modelu na vnitřní citelné zisky; citelné ztráty objektu během vybraného zimního týdne při návštěvnosti 0, 50 a 100 osob

VĚTRÁNÍ ČERSTVÝM VZDUCHEM
Počítačový model byl mimo jiné použit pro odhad optimálních větracích dávek čerstvého vzduchu. Pro zimní období byly posouzeny tři varianty intenzity větrání: 0 h^-1, 0,5 h^-1 a 1 h^-1. Vzhledem k tepelným ztrátám by měla být intenzita větrání co nejmenší. Po uvážení kvality vnitřního ovzduší se jeví jako optimální intenzita větrání 0,5 h^-1.

Pro letní období se vyhodnocovalo šest variant výměny vzduchu: 0 h^-1, 0,5 h^-1, 1 h^-1, 2 h^-1, 3 h^-1 a 4 h^-1. Ukázalo se, že zvyšování intenzity větrání snižuje spotřebu energie na chlazení, avšak zvyšuje maximální požadovaný chladicí výkon klimatizace. Jako nejvhodnější bylo doporučeno větrání s intenzitou 3 h^-1.

PŘÍMÉ CHLAZENÍ ADIABATICKÝM VLHČENÍM
Pro snížení potřebného chladicího výkonu bylo doporučeno použít vlhčení rozprašováním vody v prostoru. Toto přímé adiabatické chlazení lze využít především vzhledem k vysokým požadovaným relativním vlhkostem vzduchu v pavilónu (v rozsahu od 70 do 90 %).

Jak je patrné z obr. 3, dojde při využití adiabatického chlazení ke snížení maximálního požadovaného chladicího výkonu o cca 25 %. Výrazně se sníží počet hodin provozu chladicího systému, a to z původních 2 000 na 1 000 hodin za rok. Na základě výsledků počítačové simulace lze zpracovat i další analýzy. Například, maximální chladicí výkon je 160 kW, avšak chladicí výkon vyšší než 120 kW je potřeba pouze cca 80 hodin v roce.

Obr. 4: Snížení tepelné zátěže přímým adiabatickým chlazením

Ještě výraznější je efekt adiabatického chlazení na snížení roční spotřeby chladu. Bez adiabatického chlazení je spotřeba chladu pro typické léto cca 89 MWh. Při adiabatickém vlhčení na 70 % se spotřeba chladiva sníží dokonce až na 41 MWh (což představuje snížení o 54 %) a při vlhčení na 90 % je spotřeba pouze 13 MWh (snížení o plných 85 %).

KONDENZACE VODNÍCH PAR
Vzhledem k velmi vysokým vlhkostem vzduchu v pavilónu je velmi pravděpodobná kondenzace vodních par na vnitřní ploše střechy v zimním období. Počítačovou simulací byly určeny povrchové teploty střechy během zimního období. Ty byly následně porovnány s teplotou rosného bodu vzduchu v pavilónu. K množství zkondenzované vody bylo použito analogie mezi přenosem tepla a hmoty (vlhkosti). Pro povrchovou teplotu střechy 5 °C a teplotu vnitřního vzduchu 22 °C bylo vypočteno 30 kg/h kondenzátu, což odpovídá výkonu pro dovlhčení 20 kW. Ve skutečnosti však bude kondenzátu méně, neboť teplota povrchu při kondenzaci roste, a tím klesá množství zkondenzované vody.

Obr. 5: Tepelné ztráty objektu prostupem, větráním a vlhčením

Při realizaci bylo uvažováno lokální vytápění oblasti u vnitřního povrchu střechy, čímž se kondenzace vodních par výrazně sníží. Paradoxně při lokálním ohřevu prostoru pod střechou se sice zvýší tepelné ztráty prostupem, ale vzhledem ke snížení kondenzace na vnitřním povrchu dojde k úspoře tepla. Celková spotřeba objektu bude výrazně nižší.

CHOVÁNÍ OBJEKTU PŘI HAVARIJNÍCH STAVECH
Pro zimní i letní období byly simulovány havarijní stavy za extrémně nepříznivých vnějších podmínek. V zimním období byla simulována porucha klimatizace o půlnoci, přičemž se předpokládalo, že dojde k zavření objektu, takže infiltrace venkovním vzduchem by byla minimální (0,05 h^-1). V letním období byla porucha simulována v 8 hodin ráno a předpokládalo se přirozené odvětrávání objektu (intenzita větrání 1 h^-1).

Ukázalo se, že v zimním období by měla havárie negativní důsledky hlavně v poklesu teploty, kterému nelze nijak zabránit vzhledem k ztrátám přes střešní konstrukci. V letním období by se dal ještě přijatelný stav vnitřního prostředí udržet přirozeným větráním a dodatečným vlhčením - rozstřikováním vody v prostoru pavilonu. Průběhy teploty a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu v případě havárie jsou ukázány na grafech na obr. 6a, 6b.

Obr. 6a: Vnitřní podmínky po havárii systému v ranních hodinách v letním období

Obr. 6b: Vnitřní podmínky po havárii systému v nočních hodinách v zimním období

NÁVRH KONCEPCE KLIMATIZACE PAVILONU
Na základě výsledků počítačových simulací byl doporučen základní koncept vytápění, větrání a klimatizace pavilonu.

Dispoziční řešení objektu (hlavní prostor pavilonu je zčásti zapuštěn do terénu, objekt je velmi nízký) omezuje podstatně možnosti použití přirozeného větrání. Pro přívod vzduchu by bylo nutné budovat podzemní kanály a pro odvod otevíratelné díly střechy, což je vzhledem k jejímu tvaru krajně obtížné. Kromě toho je nutná úprava přiváděného vzduchu především v zimě.

Proto bylo doporučeno použití nuceného větrání. Pro klimatizaci pavilónu doporučujeme použít dvě klimatizační jednotky, každá s průtokem vzduchu cca 24 000 m³/h.

V zimním období bude prostor vytápěn teplovzdušně, přičemž se doporučuje využití ZZT, vzhledem k vysoké entalpii odváděného vzduchu. Množství čerstvého vzduchu bude sníženo a zařízení bude pracovat i se vzduchem oběhovým.

V létě bude využíváno větších průtoků čerstvého vzduchu, který bude adiabaticky vlhčen v jednotce a rovněž v pavilonu. Strojní chlazení bude používáno pouze v krátkém období.

Počítačové simulace této atypické budovy poskytly základní podklady pro návrh systému vytápění, větrání a klimatizace, jako jsou max. potřebné výkony chlazení, vytápění a zvlhčování. Kromě toho byl posouzen potenciál alternativního chlazení budovy adiabatickým vlhčením v letních měsících a energetická náročnost a potenciál kondenzace vody na vnitřním povrchu střechy. Investorem byly oceněny i simulace průběhu teplot v případě výpadku systému.

Na tyto simulace zpracované v první fázi projektu by měly navazovat další simulace sloužící zejména pro detailní návrh jednotlivých komponent a optimalizaci provozu systému vytápění, větrání a klimatizace v této budově. Po dokončení výstavby je možné využít měření na skutečném objektu pro kalibraci modelu a případně i ověření výsledků simulací.

Předneseno na konferenci Building Simulation 2001. Kyoto: IBPSA, 2001, vol. 1, p.841-845. ISBN 85-901939-3-4.