Modelování zátěžových profilů simulace energetického a ekologického chování budov

ÚVOD

V příspěvku prezentujeme výsledky zpracovávané studie, která má za úkol stanovit energetické a ekologické zátěže budov. V návaznosti na stanovené hodnoty těchto zátěží je nutné stanovit zátěžové profily, které budou použitelné pro simulace budov. Na modelování budovy se můžeme dívat ze dvou pohledů. První pohled je z energetického hlediska, kde, pomineme-li vlastní tepelně technické parametry budovy, nás zajímají klimatická data a s nimi související potřeba vytápění a chlazení objektů, vnitřní zátěže budovy, spotřeba elektřiny a potřeba energie na přípravu teplé vody. Druhý pohled je ekologický, kde nás zajímá ekologický dopad užívání budovy na životní prostředí. Do této kategorie řadíme spotřebu studené vody v objektu a produkci tuhého odpadu a odpadních vod.

Tento příspěvěk si neklade za cíl stanovit všechny zátěže a jejich zátěžové profily. Příspěvek prezentuje rozpracovanou práci na téma vnitřních zátěží budov.

KLIMATICKÁ DATA [5]

Vývoj výpočetní techniky umožnil rozvoj metod a prostředků, které podporují navrhování budov a jejich technických zařízení. Vedle velmi pohledných a komerčně úspěšných grafických prostředků pro podporu procesu navrhování (CAD programů) se i v oblasti energetických systémů budov prosazují výpočtové programy, které dokáží popsat chování budovy nebo její části za proměnných klimatických a provozních podmínek, označované souhrnně jako simulační programy. Pod pojmem popis chování budovy zde můžeme očekávat například průběhy teplot v závislosti na čase, průběhy okamžitých potřeb tepla i celoroční bilance, dvoj- i trojrozměrné zobrazení proudění vzduchu v místnostech apod. Účelem těchto programů je ještě ve fázi návrhu budovy prověřit její předpokládané chování za různých podmínek a dát tak podklady k optimalizaci návrhu.

Typy klimatických dat používaných pro energetické výpočty

• víceletá klimatická data - Jsou to základní data a obsahují značné množství většinou hodinových informací pro daný počet let zaznamenávání klimatu.
• typický rok - Typický meteorologický resp. referenční rok je jeden rok hodinových klimatických dat reprezentující klimatické podmínky v měřeném časovém období. Typický referenční rok (TRY) je vybírán z naměřených víceletých klimatických hodinových dat (dlouhodobé sledování klimatu - např. třicetiletý nebo padesátiletý interval sběru dat). Je složen z výběru měsíců jednotlivých let klimatologického normálu a je nejreprezentativnější z celého sledovaného období.
• typický den - obsahuje hodinová data vybraná z několika průměrných dnů. Typický den reprezentuje typické klimatické krátkodobé podmínky. Výhodou těchto dat je jejich ekonomická dostupnost, používají se v jednoduchých simulačních nástrojích.

Hlavní data meteorologického roku

Teplota suchého teploměru, teplota rosného bodu, relativní vlhkost, atmosférický tlak, přímé sluneční záření, difúzní sluneční záření, globální sluneční záření, směr větru, rychlost větru, srážky, oblačnost, viditelnost.

Nejznámější formáty dat

Každý simulační program zabývající se energetickým modelováním budov obsahuje databáze s klimatickými daty. Formáty klimatických dat se mezi sebou liší systémem uspořádání naměřených dat. Převod formátů s klimatickými daty mezi sebou lze řešit pomocí konvertorů. Mezi nejznámější patří Weather Data Manager.

Mezi formáty klimatických dat řadím např. Energy Plus Weather Files (EPW), Weather Data File (WEA) a jiné.

Použití klimatických dat

Při výpočtu musíme rozlišovat, jaký typ dat použijeme pro požadovaný výpočet. Víceletá klimatická data lze použít ve výpočtech, kde posuzujeme chování budovy vzhledem ke skutečným a naměřeným datům s údaji například o spotřebách energií. Typickým příkladem je aplikace simulace v energetickém auditorství, kdy nám simulace umožňuje odhalit případné chyby v regulaci či provozování daného systému. Tato data obsahují poměrně velké výkyvy, a proto nejdou použít při simulacích předpokládaného chování budovy v budoucnosti, kde používáme data referenčního roku. Obecně platí, že data zpracovaná z dlouhodobějších pozorování klimatu vykazují menší výkyvy teploty, než denní či hodinové hodnoty naměřené za kratší časové období. Proto je nutné rozlišovat, pro který typ výpočtu jsou naměřené teploty použitelné.

VNITŘNÍ TEPELNÉ ZÁTĚŽE BUDOV

Každý stavebně vytvořený objekt, který je užíván člověkem, má určité vnitřní tepelné zátěže budov, které jsou specifické pro každý typ budovy. Tyto tepelné zátěže je třeba v letních období odvést, aby byl zajištěn komfort užívání budovy a tepelná pohoda uživatelů. V zimním období nám naopak tyto tepelné zátěže zlepšují energetickou bilanci objektu. Tepelné zátěže v objektu jsou různorodé a závisí na typu objektu a jeho technické vybavenosti, počtu uživatelů apod.

Produkce tepla lidí [3]

Do této produkce se zahrnuje pouze teplo citelné. To závisí na tělesné práci, teplotě vzduchu a složení skupiny lidí. Jako základ se uvažuje produkce tepla mužem (tab. 1) při mírně aktivní práci u stolu při teplotě 26 °C. Tato činí 62 W.

Tab. 1 - Produkce citelného tepla, vázaného tepla a vodní páry mužů pro různé teploty při různých činnostech. [3]

Pro jinou teplotu vzduchu se provádí korekce podle vztahu:

Produkce citelného tepla žen se bere 85 %, produkce dětí 75 % produkce tepla mužů. Při různorodém složení skupiny se provede přepočet na ekvivalentní počet.

Produkce tepla svítidel [3]

S tímto teplem (tab. 2) se počítá tehdy, jsou-li svítidla v provozu i v době špičkových tepelných zisků (např. kina, divadla, bezokenní haly) a kde denní osvětlení není dostatečné (rýsovny, jemná mechanika). U hlubších místností se počítá s umělým osvětlením ve vzdálenostech větších než 5 m od okna.

Tab. 2 - Doporučené intenzity osvětlení a odpovídající produkce [3]

U svítidel se počítá s tím, že se celý jejich elektrický příkon mění v teplo, které se sáláním a konvekcí šíří do osvětlovaného prostoru. Poměrná část tepla produkovaného svítidlem, která se projeví jako součást tepelných zisků, představuje zbytkový součinitel c₂. Pro speciálně konstruovaná svítidla s odsáváním se používá hodnot c₂ udávaných výrobcem. Při odsávání pod stropem vedle svítidel, není-li tam odsávaný vzduch rozviřován vzduchem přiváděným, se počítá s hodnotou c₂ = 0,7. Je-li místnost dobře provětrávána (zejména při vyšších výměnách vzduchu), nebo jsou-li odsávací otvory u podlahy, bere se c₂ = 1. Tepelné zisky od svítidel se počítají podle vztahu:

TEPELNÉ ZISKY VYBRANÝCH ELEKTROSPOTŘEBIČŮ [1]

V některých objektech např. v administrativních budovách jsou největší vnitřní zisky od elektrických zařízení.

Nejdostupnějším výkonovým parametrem je příkon zařízení udávaný výrobcem. Předpokládá se, že hodnota příkonu pro elektrické zařízení, u kterého dochází k odvodu tepelného výkonu přes prostor klimatizované místnosti, je rovna tepelnému zisku. Na toto téma byly provedeny studie, ze kterých vyplývá, že "štítková" hodnota, kterou uvádí výrobce (příkon), neodpovídá reálnému maximálnímu příkonu, a tedy i výkonu zařízení. Z výsledků měření vyplývá, že poměr výkonů uváděných výrobcem k naměřeným hodnotám je pro většinu zařízení v rozmezí 25 až 50 %. Následující naměřené hodnoty jsou výsledky převzaté z článku Tepelné zisky z vnitřních vybavení administrativních budov [1].

Tepelné zisky podle druhu zařízení [1]

• Výpočetní technika

  Výpočetní technika se mezi sebou velmi těžko porovnává, záleží vždy na konkrétním typu počítače a jeho vybavení. Navíc každý výrobce má odlišně konstruované komponenty (např. procesory), což v důsledku ovlivňuje celkovou spotřebu energie. Následující tabulka (tab. 3) shrnuje výsledky studií [7], [8] a [9] a udává velmi bezpečnou hodnotu, kterou je možné prakticky použít. Hodnoty v následující tabulce jsou stanoveny pro PC s procesory Pentium 200MHz. Naměřené hodnoty musí být brány s ohledem na vývoj výpočetní techniky.

  
  Tab. 3 - Přehled výkonů počítačů [1]

• Monitory

  Tabulka (tab. 4) udává tepelné výkony monitorů na principu katodové trubice, údaje o LCD displejích nejsou k dispozici. Empirický vztah pro tepelný zisk monitoru je:

  

  Hodnoty uvedené v následující tabulce shrnují výslednky studií - Wilkins a Mc Graffin [8], [9].

  
  Tab. 4 - Přehled výkonů monitorů [1]

• Laserové tiskárny

  U tiskáren rozlišujeme zda jsou to malé stolní tiskárny, které i přes to, že jsou mnohdy v provozu celý den, tak většinu času pracují v úsporném režimu. Na druhé straně jsou velké tiskárny určené například pro tisková centra. Jejich provoz je často nepřetržitý, trvající i několik hodin. Následující tabulka (tab. 5) udává hodnoty pro velké i malé tiskárny v provozu i útlumu. Měřené tiskárny byly typu HP Laser Jet rozdílných typů a výkonů.

  
  Tab. 5 - Údaje v tabulce jsou uvedeny pro tiskárnu
  v provozu i tiskárnu v útlumu [1]

• Kopírovací stroje

  Byly testovány 3 velké kopírovací stroje používané v kopírovacích centrech a jedna malá stolní kopírka.

  
  Tab. 6 - Údaje v tabulce jsou uvedeny pro kopírovací
  stroje v provozu i útlumu [1]

• Ostatní elektrické spotřebiče

  Mezi ostatní kancelářská zařízení byly zařazeny skenery, faxy a dnes již téměř nepoužívané jehličkové tiskárny. Tepelný zisk těchto zařízení je uveden v tab. 7.

  
  Tab. 7 - Údaje v tabulce jsou uvedeny pro ostatní elektrické spotřebiče v provozu i útlumu [1]

Tepelné zisky vztažené na půdorys kanceláře

Při předběžném návrhu klimatizačních zařízení do velkoplošných kanceláří s velkou variabilitou pracovišť se neobejdeme bez údajů o předběžných tepelných ziscích (tab. 8) vztažených na jednotku půdorysné plochy kanceláře.

Tab. 8 - Tepelné zisky vztažené na půdorys kanceláře

Tepelné zisky od vybraných strojních částí [3]

Součástí všech točivých strojů je hnací jednotka, nejčastěji elektromotor. Celý jeho elektrický příkon se v konečné fázi mění na teplo. Při výpočtu je třeba respektovat skutečný příkon (případně skutečné zatížení), současnost chodu a účinnost motoru.

Produkce tepla elektromotorů je:

Odvádí-li se všechen chladící vzduch pro chlazení motorů mimo místnost, představuje produkci tepla pouze práce elektromotorů, tedy Q_m = c_1.c₂.N. Odvádí-li se práce elektromotoru mimo místnost, je c₂ = 1 - η_m.

Rovněž všechna elektrická zařízení produkují teplo. Jsou to např. přijímače, televizory, tiskárny, elektrické psací stroje, počítače apod. Tepelné zisky z těchto zdrojů jsou:

Při průchodu vzduchu ventilátorem se vzduch zahřívá. Je-li v proudu vzduchu i elektromotor (např. u sestavených klimatizačních zařízení), mění se v teplo celý příkon elektromotoru:

Při umístění ventilátoru mimo proud upraveného vzduchu se počítá jen s příkonem ventilátoru:

Ohřátí vzduchu Δt při průchodu ventilátorem činí:

Účinnost ventilátoru se bere podle údajů výrobce.

Prochází-li vzduchovod teplejším prostředím nastává rovněž ohřívání vzduchu. Přibližně platí:

Po stanovení jednotlivých tepelných zátěží

Shrnutí

V této kapitole jsou prezentovány informace dosud shromážděné při tvorbě rešerše. Autoři jsou si vědomi neúplného pokrytí celé škály elektrospotřebičů. Stanovení zátěžových profilů vychází z individuálního přístupu k jednotlivým typům budov. Je nutno brát v úvahu předpokládané využití objektu, pravděpodobný výskyt uživatelů v interiéru, technickou vybavenost objektu a současnost provozu jeho zařízení.

POTŘEBA STUDENÉ VODY

Potřeba a spotřeba vody v bytových objektech je veličina, která je výchozí nejen pro dimenzování systémů zásobování vodou, ale odráží životní styl a návyky. S rozvojem společnosti se i tato hodnota rozvíjí a mění. V souvislosti s vývojem cen se projevuje i dopad na chování uživatelů. Druhým aspektem je vývoj technických zařízení budov v oblasti přípravy teplé vody, který umožňuje používat zařízení pružná, reagující na proměnnou potřebu vody.

SPOTŘEBA STUDENÉ VODY [4]

V roce 2005 proběhlo rozsáhlé monitorování spotřeby vody v 62 bytových domech v Plzni, prováděné Vodárnou Plzeň a.s. ve spolupráci s Katedrou TZB Fakulty stavební ČVUT v Praze. Monitorování bylo prováděno v období 3 týdnů na vodoměrech studené vody osazené na patách objektů s odečtem po hodinách a primárně bylo určeno jako podklad pro zpracování stochastických zátěžových profilů a matematické modelování urbanistických celků. Výsledné hodnoty nezahrnují teplou vodu, která je do objektů dodávána systémem centralizovaného zásobování tepla. V následujících grafech jsou vyhodnoceny výsledky měření.

Obr. 1 Maximální průběhy spotřeby studené vody během týdne - obálková křivka [4]

Obr. 2 Průměrná celková denní spotřeba studené vody podle počtu obyvatel v objektu [4]

Zhodnocení naměřených výsledků

Z výsledků měření vyplývá, že celková průměrná spotřeba vody pro jeden bytový dům ze všech 62 měření je přibližně 56 l/osobu/den (obr. 2). Průměrná spotřeba vody v objektech stejného typu je pro nás důležitá při celkovém hodnocení potřeby vody a je značně závislá na konkrétních měřených bytových domech, jeho obyvatelstvu a technickém vybavení. Rozdíl je v časovém průběhu odběrů (obr. 1), kde můžeme sledovat extrémy v poledních a večerních hodinách. Největší špička je v sobotu (poledne) a neděli (poledne a večer). Překvapivě naopak v sobotu večer je nejnižší z celého týdne. Výsledky měření též ukazují vliv počtu obyvatel na průměrnou spotřebu vody v objektu. Průměrná spotřeba vody v objektech s nižším počtem obyvatel je vyšší, než u početnější obsazenosti bytového domu.

POTŘEBA TEPLÉ VODY

Každý objekt potřebuje teplou vodu (TV). Velikost potřeby závisí na typu objektu a jeho velikosti, počtu obyvatel, jejich chování a typu a počtu instalovaných spotřebičů používajících teplou vodu. V simulačních výpočtech nás zajímá hlavně energetická náročnost vynaložená pro ohřev vody a krytí tepelných ztrát vzniklých distribucí vody po objektu či v místě přípravy TV. Následující tabulky č. 9 a 10 obsahují současné normové požadavky potřeby teplé vody na měrnou jednotku

Tab. 9 - Porovnání potřeby TV na osobu a den dle ČSN 060320, VDI 2067

Tab. 10 - Potřeby TV pro ostatní typy objektů [2]

Jordanův simulační model [6]

Stanovení odběru teplé vody bylo stanoveno z měření evropských domácností. Ze statistiky analyzovaných dat průtoků a časů odběru byl vyvinut simulační model odběru TV v průběhu roku. Tento model je schopný generovat roční odběrové profily pro průměrnou denní spotřebu TV 100, 200 (tab. 11), 400 a 800 l v časových intervalech 1 min, 6 min a 1 hodina.

Jsou definovány 4 kategorie, které popisují 4 typy profilů odběru TV

• Kategorie A - krátkodobý odběr (mytí rukou, apod.)
• Kategorie B - střední odběr (mytí nádobí, apod.)
• Kategorie C - vana
• Kategorie D - sprcha

Pro každou kategorii jsou stanoveny specifické předpoklady

• průměrný průtok teplé vody, doba trvání odběru, počet odběrů v průběhu dne a standardní odchylka.

Jednotlivé průtoky byly vytvořeny pro každou kategorii. Skutečné hodnoty průtokového množství byly rozprostřeny okolo průměrné hodnoty v podobě Gausových křivek (obr. 3). Průběh pravděpodobného ročního odběru je popsán sinusovou křivkou s 10% amplitudou denní průměrné spotřeby vody. Tato odchylka je zapříčiněna teplotou studené vody a rozdílným odběrem v zimním a letním období.

Obr. 3 Výsledný profil měření zobrazující celkovou dobu trvání v min/rok
v závislosti na průtokovém množství jednotlivé kategorie odběru [6]

Tab. 11 - Denní průběh odběru o průměrné spotřebě 200 l/den a teplotě TV 45°C. [6]

V tabulce jsou základní hodnoty odběru teplé vody v průběhu dne, počet použití jednotlivých zařizovacích předmětů v denním průběhu a rozložení spotřeby teplé vody na jednotlivé zařizovací předměty.

Stanovení energetické náročnosti přípravy TV

Celková potřeba TV za periodu (den):

Tepelné ztráty při distribuci TV:

Zátěžový profil odběru teplé vody:

Není důležitá pouze celková spotřeba vody, ale potřebujeme znát rozdělení odběru vody v průběhu časové periody. Na základě zpřesněných křivek spotřeby vody pro jednotlivé typy budov je možné navrhovat menší zásobníky teplé vody a menší zdroje tepla sloužící pro přípravu teplé vody. Následně dochází ke snížení průtoků teplé vody v cirkulačním potrubí, což vede ke snížení energetické náročnosti ohřevu vody.

Dá se předpokládat, že spotřeba teplé vody bude do určité míry kopírovat spotřebu vody studné. Nicméně v současné době nemáme k dispozici dostatečné množství naměřených dat spotřeby TV v typových objektech. Problematikou spotřeby TV se nadále budeme zabývat i v budoucnu.

ZÁVĚR

Modelování zátěžových profilů pro simulace energetického chování budov je problematická disciplína. Není možné stanovit jednotné měřítko pro posuzovaní všech typů objektů. Posuzované objekty se liší typem budovy, technickou vybaveností i počtem uživatelů. Například v administrativních budovách je dominantní spotřeba elektrické energie a s tím spojené tepelné zisky, které spolu s ostatními zisky jsou podkladem pro návrh klimatizace. Naopak v bytové výstavbě má největší vliv spotřeba teplé a studené vody s vytápěním objektu. V nemocnicích je dominantní spotřeba elektřiny a teplé vody apod. Ke každému objektu je nutné přistupovat individuálně. Před návrhem zátěžových profilů je nutné co nepřesněji stanovit energetické a ekologické zátěže budov. Zátěžové profily se stanoví z těchto zátěží individuálně pro každý typ budovy zvlášť z důvodu odlišného provozu budovy a jejího technického vybavení.

PODĚKOVÁNÍ

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003.

LITERATURA

[1] Duška, M., Drkal, F., Lain, M., Tepelné zisky z vnitřních vybavení administrativních budov
[2] Valášek a kol., Zdravotně tehnická zařízení a instalace, Jaga group, Bratislava 2001, ISBN 80-88905-65-6
[3] ČSN 730548
[4] Analýza spotřeby vody v bytových domech - Kabele,K., Musil,R., Český instalatér. 2006, roč. XVI, č. 2, s. 34-35. ISSN 1210-695X.
[5] Musil, R., Kabele, K. Kabrhel, M., Klimatická data pro modelování vnitřního prostředí In: Zborník prednášok Vnútorná klíma budov 2005. Bratislava: Slovenská spoločnost pro techniku prostredia, 2005, s. 21-27. ISBN 80-89216-05-6.
[6] Jordan U., Vajen K., Realistic Domestic Hot-Water Profiles in Different times Scales
[7] Wilkins a kol., An analysis of office equipment load factors, 1991
[8] Wilkins a Mc Graffin, Measuring computer equipment loads in office buildings, 1994
[9] Hosni a kol. Experimental results for heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings, 1999

PŘEHLED OZNAČENÍ

i1	počet lidí [-]
ti	teplota interiéru [°C]
iž	počet žen [-]
id	počet dětí [-]
im	počet můžů [-]
Qsv	tepelné zisky od svítidel [W]
P	celkový příkon svítidel [W]
c1	součinitel současnosti používání svítidel [-]
c2	zbytkový součinitel [-]
d	velikost úhlopříčky [palce]
c3	průměrné zatížení strojů [-]
ηm	účinnost elektromotorů [-]
N	štítkový výkon elektromotorů [W]
V	průtok vzduchu ventilátorem [m3/h]
Δp	celkový tlak ventilátoru [Pa]
ηv	účinnost ventilátoru [-]
Δt	ohřátí vzduchu [°C]
S	povrch vzduchovodu kterým se přenáší teplo [m2] v potrubí a okolním vzduchem [°C]
w	rychlost proudění vzduchu ve vzduchovodu [m/s]
A	průřez vzduchovodu [m2]
u	součinitel prostupu tepla [W/m2/K]
E2p	teoretická potřeba tepla na ohřev vody [kWh/den]
V2p	potřeba teplé vody za periodu [ m3/den]
c	měrná tepelná kapacita vody = 1,163 [kWh/m3/K]
t1	teplota teplé vody [°C]
t2	teplota studené vody [°C]
E2z	je potřeba tepla na pokrytí ztrát tepla při ohřevu a distribuci [kWh/den]
E2p	skutečná potřeba tepla na přípravu TV [kWh/den]
z	poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [-]