Využití akumulační schopnosti betonové konstrukce budovy pro snížení výkonu zdroje chladu

1. ÚVOD

Počítačové simulace nemusí být jen nástrojem pro výzkum a vědecké experimenty, ale mohou velmi dobře sloužit i pro dimenzování a optimalizaci systémů skutečných budov. Hlavní výhoda simulací spočívá v možnosti získání výsledků pro různé varianty řešení nebo provozu. Prezentovaný případ je ukázkou právě takového přístupu k problematice návrhu zdroje chladu rozsáhlé administrativní budovy.

2. POPIS SIMULOVANÉHO OBJEKTU

Modelovaná nově stavěná administrativní budova je osmipodlažní objekt se třemi podzemními a pěti nadzemními podlažími o celkové ploše 54 000 m² [4]. V budově jsou integrována tři atria a dva rozlehlé otevřené světlíky. Model je vytvořen pouze pro nadzemní podlaží a atria, které zasahují až do 2. pp.

Budovu tvoří nosný železobetonový skelet a vnitřní vyzdívané stěny z tvárnic Ytong. Obvodový plášť je z větší části prosklený, doplněný lehkými stěnami s otevíratelnou štěrbinou. Delší fasády objektu jsou orientovány na jih a na sever. O rozlehlosti budovy svědčí i její rozměry patrné ze půdorysu typického podlaží (obr. 1).

Všechny prosklené plochy orientované na jižní, východní a západní světovou stranu jsou stíněné proti přímé sluneční radiaci horizontálním stínícím prvkem. Prostor atrií je opatřen proskleným zastřešením, které je rovněž plně zastíněno.

ZASKLENÍ

Ve studii je použito celkem 12 typů zasklení (U = 1,1(1,4) W/m²K, g = 0,4 - 0,6). Pro tato zasklení byl ze zadaných propustností, odrazivostí a pohltivostí při kolmém dopadu sluneční radiace stanoven průběh těchto vlastností v závislosti na úhlu dopadu. Simulační model uvažuje použití stínicích prvků na všech fasádách kromě severní a na střeše atrií. Tyto stínicí prvky jsou navrženy tak, aby v letním období nebyly fasády vystaveny přímé sluneční radiaci.

Obrázek 1 - Typické podlaží objektu s naznačenou orientací

VNITŘNÍ TEPELNÉ ZÁTĚŽE

V zadání pro analýzu mikroklimatu byly uvedeny předpokládané vnitřní tepelné zátěže se zadaným průběhem během dne [3]. Hodnoty vnitřních tepelných zátěží jsou uvedeny v tab. 1. Časové rozložení vnitřní tepelné zátěže během dne je zobrazeno na obr. 2. Vnitřní tepelná zátěž se předává jak do vzduchu konvekcí, tak sáláním na stěny.

Místnost	Obsazenost [m2/os]	Osvětlení [W/m2]	Technologie [W/m2]
Maloprostorové kanceláře	10	19	22,7
Velkoprostorové kanceláře	9	19	27,8
Zasedací místnosti	2,5	19	60
Chodby	10	15	-
Haly	5	15	5

Tabulka 1 - Vnitřní tepelné zátěže

Obrázek 2 - Průběh vnitřní tepelné zátěže během dne pro kancelářské prostory

VĚTRÁNÍ A INFILTRACE

Pro větrání objektu se předpokládá přívod čerstvého venkovního vzduchu ve vzduchových výkonech uvedených v tab. 2. Do atria je kromě toho přiváděn i vzduch ze sousedních zón.

V modelu je zahrnut přívod čerstvého vzduchu do jednotlivých zón a přívod vzduchu do atria ze všech zón. Tato koncepce modelu obsahuje tudíž energie potřebné na tepelnou úpravu přiváděného čerstvého vzduchu. Ve výsledcích není započítáno latentní teplo vzniklé kondenzací na reálném chladiči, ani tepelné zisky ventilátorů a ztráty potrubních rozvodů. Větrání v základní variantě se předpokládá pouze v době užívání kanceláří.

3. POČÍTAČOVÁ SIMULACE OBJEKTU

Energetické simulace budovy byly prováděny v programu ESP-r [1], který představuje dynamické simulační prostředí pro analýzu energetických a hmotnostních toků v budovách a zařízeních pro větrání, vytápění a klimatizaci. Software byl vyvinut v Energy System Research Unit na University of Starthclyde v Glasgow (Skotsko) a je trvale zdokonalován. Program ESP-r provádí výpočet metodou zónové energetické simulace.

MODELOVANÉ ZÓNY

Vzhledem k tomu, že hlavní důraz byl kladen na celkovou energetickou bilanci budovy, byla simulace provedena pro celou budovu rozdělenou na zóny podle podlaží. V 1. pp a 2. pp byly do simulace zahrnuty pouze části propojené s atrii. 5. np bylo vzhledem ke geometrii modelu rozděleno na dvě zóny. Prostor budovy byl tedy rozdělen celkem na 7 zón.

Zóna	Podlaží	Plocha	Objem	Vnitřní tepelná zátěž	Přívod čerstvého vzduchu	Intenzita větrání	Přívod vzduchu z okolních prostor
-	-	[m2]	[m3]	[W/m2]	[m3/h]	[h-1]	[m3/h]
Atrium	2.pp-5.np	2 285	40 799	33,0	68 000	1,67	250 660
1np	1. np	12 044	36 132	39,2	42 230	1,17	-
2np	2. np	12 250	36 752	38,2	73 580	2,00	-
3np	3. np	12 250	36 752	37,4	71 290	1,94	-
4np	4. np	12 250	36 752	35,6	67 420	1,83	-
5np	5. np	1 959	7 347	50,2	17 250	1,61	-
Kanceláře	5. np	1 069	4 008	56,4	-	-	-

Tabulka 2 - Seznam zón a jejich základní charakteristiky vč. větracího vzduchu

Model budovy byl vzhledem k technickým možnostem programu zjednodušen. Vlastní tvar zón se tudíž plně neshoduje s tvarem budovy, ale všechny základní fyzikální charakteristiky (půdorysná plocha, plochy jednotlivých fasád, objemy) zůstávají zachovány. Tato metodika umožňuje modelově řešit daný úkol při zachování energetických bilancí.

Obrázek 3 - Zjednodušený půdorys jednoho podlaží

V modelu je zahrnut přívod čerstvého vzduchu do jednotlivých zón a přívod vzduchu do atria z jednotlivých zón. Tato koncepce modelu zahrnuje tudíž energie potřebné na tepelnou úpravu přiváděného čerstvého vzduchu. Ve výsledcích není ale není zahrnuto latentní teplo vzniklé kondenzací na reálném chladiči, ani tepelné zisky ventilátorů a ztráty potrubních rozvodů. Větrání v základní variantě se předpokládá pouze v době užívání kanceláří.

4. VARIANTY ŘEŠENÍ

Energetické bilance budovy byly simulovány pro 8 variant provozu a typický klimatický rok pro Prahu (Test Reference Year).

Varianta 1

Předpokládá chlazení 24 hodin denně s konstantní teplotou vnitřního vzduchu 24°C v pracovní dny (Po až Pá). Větrání je v provozu v pracovní době (od 7:00 do 21:00). Výkon chlazení nebyl omezen. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Stale 24.

Varianta 2

Je podobná předchozí variantě 1 ale teplota vzduchu je udržována na hodnotě 26°C. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Stale 26.

Varianta 3

Odpovídá běžnému provozu klimatizace. Požadovaná teplota vzduchu 24°C je udržována pouze v pracovní době (od 7:00 do 21:00) v pracovní dny (Po až Pá). Stejně jako větrání. Výkon chlazení nebyl omezen. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Prac 24.

Varianta 4

Je variantou s jednoduchým předchlazením objektu. V pracovní době (od 9:00 do 21:00) je teplota vnitřního vzduchu udržována 24°C a mimo pracovní dobu (od 21:00 do 9:00) je budova chlazena na 22°C. Chlazení je pouze v pracovní dny (Po až Pá). Větrání je v provozu v pracovní době (od 7:00 do 21:00). Výkon chlazení nebyl omezen. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Predch 22.

Varianta 5

Je variantou s předchlazením objektu a postupným nárůstem teploty během dne. Od 0:00 do 11:00 je nastavena teplota vzduchu 22°C; od 11:00 do 12:00 24°C; od 12:00 do 21:00 26°C a od 21:00 do 24:00 24°C. Chlazení je pouze v pracovní dny (Po až Pá). Větrání je v provozu v pracovní době (od 7:00 do 21:00). Výkon chlazení nebyl omezen. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Postup 26.

Varianta 6

tato varianta vychází z odlišné koncepce, teplota vzduchu je stále nastavena na 24°C, ale výkon chlazení je omezen na 80 % potřebného výkonu dle varianty 1. Teplota v budově tedy v době špiček roste nad požadovanou hodnotu a uplatňuje se výrazněji akumulační schopnost objektu (tepelná masa). Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Omez 24.

Varianta 7

Je shodná s předchozí variantou 6, ale je kombinována s nočním chlazením neupraveným venkovním vzduchem. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Nocni+Omez.

Varianta 8

Je shodná se základní variantou 1, ale je kombinována s nočním chlazením venkovním vzduchem. Pro tuto variantu bude používán zkrácený popis Nocni+ 24.

Varianta	Označení	Teplota v prac. době	Teplota mimo prac. dobu	Víkend	Noční větrání	Omezení chladicího výkonu
-	-	[°C]	[°C]	-	-	-
1	Stale 24	24	24	NE	NE	NE
2	Stale 26	26	26	NE	NE	NE
3	Prac 24	24	NE	NE	NE	NE
4	Predch 22	22,24	22	NE	NE	NE
5	Postup 26	22,24,26	22,24	NE	NE	NE
6	Omez 24	24	24	NE	NE	80%
7	Nocni+Omez	24	24	NE	ANO	80%
8	Nocni+24	24	24	NE	ANO	NE

Tabulka 3 - Požadované teploty vzduchu a režimy pro jednotlivé varianty

5. VÝSLEDKY

Všech osm variant bylo simulováno v období od 1. 5. do 31. 9.; z těchto hodnot byly vyhledány extrémy a vyhodnoceny i spotřeby chladu. Jako extrémní byl vybrán týden od 12. 7. do 19. 7. referenčního roku, kdy v pátek 16. 7. dosahovaly potřebné chladicí výkony extrémních hodnot v naprosté většině variant.

Výsledky simulačních výpočtů pro jednotlivé zóny (podlaží a atria) jsou uvedeny v tab. 4.

VARIANTA 1 - Stále 24

Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu 24 °C po celých 24 hodin v pracovní dny byla zvolena jako varianta základní. Jak je patrné z tab. 4, maximální potřebný citelný chladicí výkon je 2850 kW a spotřeba chladu 1599 MWh. Teplota v jednotlivých kancelářských podlažích zůstává na konstantní hodnotě, pouze v atriu a v 5. np poklesne v noci. Tomu odpovídá i potřeba chlazení ve většině pater 24 h denně. Lze předpokládat, že akumulační schopnost stěn se projevuje pohlcováním sálavé složky tepelných zisků během dne a jejich uvolňováním konvekcí v noci. Teploty během soboty a neděle zůstávají ve většině podlaží do 30 °C, pouze v lehkém 5. np rostou až ke 40 °C. To odpovídá předpokládané reakci poměrně masivní budovy s dobrým stíněním do 4. np oproti stavu v 5. np bez potřebné akumulační hmoty. Tepelné zisky jsou v jednotlivých podlažích téměř shodné, mírně se zvyšují v posledním 4. np.

VARIANTA 2 - Stále 26

Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu 26 °C po celých 24 hodin v pracovní dny je velmi podobná předchozí variantě, jen hodnoty chladicích výkonů jsou nižší.

VARIANTA 3 - Prac 24

Tato varianta odpovídá režimu chlazení pouze v pracovní době, což je velmi častá volba v klimatizovaných prostorách. Porovnání variant však ukazuje, že takový provoz klimatizace (v budově s nezanedbatelnou hmotou pro tepelnou akumulaci) má nejvyšší požadavky na výkon zdroje chladu. A spotřeba chladu je pouze o 4 % nižší než při nepřetržitém chlazení. Tento režim nelze pro objekt v žádném případě doporučit.

VARIANTA 4 - Predch 24

Tato varianta s nastavenou teplotou vzduchu 24 °C od 9:00 do 21:00 a předchlazením na 22 °C po zbytek dne a noci představuje určité jednoduché předchlazení. Výsledný max. potřebný chladicí výkon se opravdu díky akumulaci budovy snížil o 6 %, ale spotřeba chladu je nejvyšší ze všech variant.

VARIANTA 5 - Postup 26

Tato varianta navazuje na předchozí s tím rozdílem, že byl nastaven postupný nárůst požadované teploty vzduchu z 22 °C na 24 °C a 26 °C. Toto časové rozložení bylo voleno s ohledem na snížení max. potřebných chladicích výkonů. Výsledný maximální potřebný citelný chladicí výkon je mírně nižší než v předchozí variantě. Použitá metoda postupných kroků s ideální regulací teploty však plně neodpovídá realitě klimatizačního systému, proto bylo přistoupeno k variantě 6.

VARIANTA 6 - Omez 24

Koncepce této varianty je v zásadě odlišná od variant předchozích. Teplota vzduchu byla stejně jako ve variantě 1 nastavena na 24 °C po celých 24 hodin v pracovní dny, ale chladicí výkon ve všech podlažích kromě atria byl omezen na 80 % výkonu vypočteného ve variantě 1.

Tato koncepce lépe reprezentuje skutečnost, kdy je výkon zdroje chladu nižší nežli potřebný a teplota vzduchu při extrémních zátěžích roste. Akumulace tepla (chladu) budovou způsobuje pozvolný růst teploty. Výsledky této varianty ukazují, že při takto omezeném chladicím výkonu je max. zvýšení teploty vzduchu v prostoru cca 2 K a teploty vzduchu se ve špičkách pohybují kolem 26 °C. Maximální potřebný citelný chladicí výklon je velmi nízký a spotřeba chladu je téměř shodná se základní variantou.

Obrázek 4 - Citelný chladicí výkon - Varianta 6

Obrázek 5 - Teploty vzduchu v jednotlivých zónách - Varianta 6

VARIANTA 7 - Noc+Omez

Varianta 7 i 8 je doplněna o větrání budovy v nočních hodinách pracovních dnů stejným průtokem venkovního vzduchu jako pro větrání během dne. Varianta 7 je jinak shodná s předchozí variantou 6. Ukazuje se, že noční větrání výrazně zlepší provoz budovy. Teploty vnitřního vzduchu v nočních hodinách poklesnou i v letních extrémech pod 22 °C a sníží se tak i max. teploty během dne, které se ve špičkách pohybují do 26 °C (viz tab. 5 a obr.4). Maximální potřebný citelný chladicí výklon je nepatrně nižší než v předchozí variantě, ale spotřeba chladu se snížila výrazně.

Tato varianta je vyhodnocena jako nejlepší z hlediska potřebného zdroje chladu i spotřeby chladu.

Obrázek 6 - Citelný chladicí výkon - Varianta 7

Obrázek 7 - Teploty vzduchu v jednotlivých zónách - Varianta 7

VARIANTA 8 - Noc+24

Tato varianta je kombinace nočního větrání se základní variantou chlazení na 24 °C. Noční větrání i v tomto případě mírně snížilo maximální potřebný citelný chladicí výklon na 2774 kW a výrazně snížilo spotřebu chladu na 1228 MWh.

Varianta	Označení	Max. citelný chladicí výkon pro celou budovu		Spotřeba chladu pro léto
		kW	%	MWh	%
1	Stale 24	2 851	100	1 599	100
2	Stale 26	2 543	89	1 181	74
3	Prac 24	2 964	104	1 542	96
4	Predch 22	2 686	94	1 676	105
5	Postup 26	2 666	94	1 518	95
6	Omez 24	2 319	81	1 592	100
7	Nocni+Omez	2 317	81	1 222	76
8	Nocni+24	2 774	97	1 228	77

Tabulka 4 - Výsledky počítačových simulací

Varianta	Označení	Atrium	1NP	2NP	3NP	4NP	5NP
6	Omez 24	25,8 °C	26,2 °C	26,0 °C	25,9 °C	26,1 °C	24,0 °C
7	Nocni+Omez	25,5 °C	25,9 °C	25,6 °C	25,5 °C	25,9 °C	24,0 °C

Tabulka 5 - Maximální teploty vzduchu v jednotlivých podlažích pro varianty 7 a 8

Obrázek 8 - Porovnání simulovaných variant

6. ZÁVĚR

Počítačová simulace prokázala, že při vhodném způsobu regulace lze pro budovu snížit výkon zdroje chladu o cca 20 % oproti základní variantě, kterou považujeme za odpovídající dimenzování v běžné projekční praxi. Předpokladem je nastavení regulace na teplotu vzduchu 24 °C. V případě špičkových zátěží vzroste díky akumulační schopnosti objektu teplota vzduchu o max. 2 K a teplota 26 °C nebude překročena. Dále byl prokázán pozitivní vliv nočního chlazení venkovním tepelně neupraveným vzduchem, které mírně snižuje potřebný výkon zdroje, ale výrazně se projeví na snížení spotřeby chladu. Doporučujeme budovu provozovat v režimu odpovídajícímu variantě 7 s chlazením na 24 °C a nočním větráním.

Z hlediska celkové spotřeby energií je však nutné zvážit a započítat i spotřebu elektrické energie pro pohon ventilátorů u variant s nočním větráním (7 a 8). Simulace byly provedeny pro typický rok a nejsou použity žádné rezervy pro extrémně teplé počasí.

Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011 Technika životního prostředí. Text článku byl přednesen na 4. konferenci IBPSA-CZ Simulace budov a techniky prostředí 2006, Praha, 7.listopadu 2006.

7. LITERATURA

[1] ESP-r, A Building Energy Simulation Environment, ESRU Manual. Energy System Research Unit, University of Strathclyde, Glasgow, 1998
[2] Behne, M. Alternatives to Compressive Cooling in Non-Residential Buildings to Reduce Primary Energy Consumption. Final report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornia, 1997
[3] Duška, M., Drkal, F., Lain, M. Tepelné zisky z vnitřního vybavení administrativních budov. In Klimatizace a větrání 2004, Společnost pro techniku prostředí, Praha 2004, s. 165-174. ISBN 80-02-01598-3
[4] Lain, M., Drkal. F., Zmrhal, V.: Energetické simulace objektu v Praze 5. Výzkumná zpráva, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, 2005