Využití adiabatického chlazení při klimatizaci budov

Úvod
Snahy o snížení spotřeby energie, využívání alternativních zdrojů energií a návrhy nízkoenergetických, případně pasivních budov se v našich klimatických podmínkách spojují především s vytápěním. Ale pro moderní kancelářské budovy a často i obytné domy a průmyslové stavby se stále zvyšují požadavky na chlazení. Velmi dobře izolované obvodové pláště budov spolu s velkým množstvím kancelářské techniky způsobují, že řada kancelářských budov vyžaduje téměř celoroční chlazení. Proto je již při návrhu budovy a systémů techniky prostředí třeba snažit se o minimalizaci spotřeby energie pro chlazení, a to při celoročním zajištění parametrů tepelné pohody.

Alternativní způsoby chlazení
Alternativou k běžnému kompresorovému cyklu jsou pouze tři základní zdroje chladu, a to:

1. kolísání teplot vzduchu v kombinaci s akumulační hmotou budovy (noční větrání)
2. využívání přeměny citelného tepla na latentní (adiabatické chlazení, přímé, nepřímé nebo s využitím sorpčních výměníků)
3. využívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky, podzemní voda).

Historie
U většiny alternativních způsobů chlazení budov a konceptu pasivních budov z pohledu chlazení používáme principů známých již velmi dlouhou dobu. Řada návrhů se inspiruje historickými budovami, kde byly alternativní způsoby chlazení uplatňovány. Moderní konstrukce budov a strojní chlazení však většinou původní koncepty plně vytlačily. Je proto třeba nejen znovu objevovat nízkoenergetické způsoby chlazení, ale plně využít i nových nástrojů a technologií pro projektování a dimenzování těchto systémů. Adiabatické chlazení bylo dříve základní metodou chlazení. V České republice jsou známy především systémy nuceného větrání divadel (Národní divadlo, Státní opera, Karlovy Vary atd.), kde bylo využíváno rozprašování vody do přiváděného vzduchu pro chlazení v letních měsících.

Metody řešení
Alternativní způsoby chlazení budov využívají ve značné míře kolísání teploty a relativní vlhkosti venkovního vzduchu, akumulace tepla do budovy nebo chladu ze zemského polomasivu.
Pro navrhování těchto chladicích systémů proto nestačí ani ten nejpřesnější výpočet maximální tepelné zátěže, není-li kombinován s řešením dynamického chování budovy a systému. Systém chlazení s chladivovým oběhem může být navržen na extrémní hodnoty vzhledem k tomu, že jeho chladicí výkon lze poměrně jednoduše regulovat v závislosti na aktuálních parametrech vnitřního prostředí. Avšak u většiny alternativních způsobů chlazení je tato regulace krajně obtížná. Například při nočním větrání je denní teplota v místnosti závislá na tom, jak bylo větráno předchozí noc.

S navrhováním alternativních systémů chlazení nejsou příliš velké zkušenosti, a proto chybí dostatečně jednoduché, ověřené a všeobecně používané výpočtové postupy. Při dimenzování standardních chladicích systémů může být takovýmto zjednodušením například korekce tepelných zisků radiací na akumulaci vnitřních stěn.

Hlavním nástrojem, který se v souvislosti s návrhem systémů alternativního chlazení budov uplatňuje, jsou počítačové simulace.
Pro některé nově budované nebo rekonstruované systémy jsou zpracovávány individuální studie energetických bilancí. Pro tyto studie se využívají komplexní počítačové programy, jež využívají podrobné klimatické databáze a při řešení respektují dynamiku chování budovy a systému. Vhodné jsou především integrované nástroje, které umožní řešení energetických bilancí budovy, klimatizačního systému, vlivu osob a vnitřních zátěží, regulace a případně i proudění v místnostech (CFD).
Základem pro předběžné posouzení potenciálu alternativního chlazení je analýza klimatických dat. Porovnání klimatických dat je používáno také jako první krok při aplikaci výsledků některých doposud zpracovaných studií na podmínky České republiky.

Adiabatické chlazení
Adiabatické chlazení využívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, čímž se snižuje teplota vzduchu. Přímé adiabatické chlazení se hodí především pro suché, horké či teplé klima (někdy se používá i název pouštní chlazení). Nelze ho však použít pro oblasti s vlhkým klimatem. Středoevropské klima je hodnoceno jako teplé (výpočtová teplota 32 °C) a částečně vlhké (semi humid).
Při hodnocení energetické náročnosti chlazení se často používají denostupně (hodinostupně), ty však reprezentují pouze citelnou tepelnou zátěž prostoru. Pro systémy s adiabatickým chlazením je třeba respektovat i teplo vázané. Zejména z tohoto důvodu byly definovány entalpi hodiny (IEA 1995). Entalpi hodiny (EH) jsou definovány jako suma hodin a rozdíl entalpií v době, kdy entalpie venkovního vzduchu překročí referenční hodnotu. Tabulka č. 1 dokumentuje porovnání hodinostupňů a entalpi hodin pro Českou republiku (zastoupenou Prahou) a některé další oblasti (města). Výpočet byl proveden na základě dvou referenčních roků pro oblast Prahy (TRY1 a TRY2), a to pro dvě referenční teploty (18 a 25 °C) a referenční vlhkost 40 %.

Town	CDH25	EH25/40 (kJ/kgsv)	CDH18	EH18/40 (kJ/kgsv)
Praha TRY1	361	3 047	4 581	25 198
Praha TRY2	483	3 483	5 300	28 689
Drážďany	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
Paříž	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

Tab. 1 - Hodinostupně a entalpi hodiny pro chlazení

Obr. 1 - Limity pro přímé adiabatické chlazení

Budeme-li předpokládat pro běžnou kancelář maximální přípustnou teplotu 26 °C a relativní vlhkost 60 % a zanedbáme-li latentní zisky, lze konstatovat, že přímé adiabatické chlazení nelze použít, je-li entalpie venkovního vzduchu vyšší než 59 kJ/kg_sv nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg_sv (viz obr. 1). Chceme-li použít vzduch pro odvod tepelné zátěže, je nezbytné, aby jeho teploty byly nižší než požadovaná teplota. Za předpokladu teplotního rozdílu 4 K (tj. teplota vzduchu 22 °C) je limitní entalpie 55 kJ/kg_sv. Počty hodin, kdy jsou v obou referenčních rocích pro Prahu překročeny tyto hodnoty, dokumentuje tabulka č. 2. Z výsledků uvedených v tabulce jasně vyplývá, že počet hodin, kdy nelze adiabatické chlazení využít k dosažení tepelné pohody a nebo kdy je jeho chladicí potenciál malý, je nezanedbatelný.

Výhodou přímého adiabatického chlazení je, že nevyžaduje instalaci dalších zařízení do vzduchových systémů, neboť v našich klimatických podmínkách musí klimatizační jednotka obsahovat vlhčení pro zimní provoz.

	Praha TRY1	Praha TRY2
Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 59 kJ/kgsv nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kgsv	72	88
Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 55 kJ/kgsv nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kgsv	181	215

Tab. 2 - Počty hodin, kdy nelze použít přímé adiabatické chlazení

Závěrem lze tedy konstatovat, že přímé adiabatické chlazení umožňuje výrazně snížit tepelnou zátěž prostoru, ale není schopno celoročně zajistit podmínky tepelného komfortu a je proto nezbytné ho kombinovat s jiným zdrojem chladu. Přímé adiabatické chlazení se uplatní především tam, kde je požadována vysoká vlhkost vzduchu a zároveň chlazení. Příkladem takové aplikace je adiabatické chlazení pavilonu Indonéská džungle pražské ZOO.

Nepřímé adiabatické chlazení
Při nepřímém adiabatickém chlazení je sekundární vzduch adiabaticky ochlazen a pomocí výměníku vzduch-vzduch ochlazuje primární vzduch. Výhodou tohoto principu je, že se měrná vlhkost primárního vzduchu již nezvyšuje. K odvlhčení (kondenzaci) primárního vzduchu dochází však jen výjimečně, a tak relativní vlhkosti zůstávají vyšší než při standardním chlazení (viz obr. 2). Pomocí počítačové simulace bylo provedeno porovnání tří klimatizačních systémů: Evap - nepřímé adiabatické chlazení; All-Air - centrální vzduchový systém se strojním chlazením; Fan-Coil - systém s cirkulačními chladicími jednotkami v místnostech a minimálním přívodem čerstvého vzduchu. Z výsledků prezentovaných v tabulce č. 3 je patrné výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení, oproti tomu maximální chladicí výkon se snížil poměrně málo.

Obr. 2 - Porovnání distribuce relativních vlhkostí vzduchu pro tři varianty klimatizace

Systém	Tepelné zisky	Maximální chladicí výkon		Max. vlhkost vzduchu	Spotřeba energie
	W	W	%	%	kWh	%
EVAP.	3 266	5 175	91	85	967	43
ALL-AIR	3 266	5 678	100	84	2 241	100
FAN-COIL	3 266	4 419	78	75	3 096	138

Tab. 3 - Výsledky simulace nepřímého adiabatického chlazení

Pro nepřímé adiabatické chlazení se často používají i speciální klimatizační jednotky, které využívají sprchování sekundární strany výměníku tepla a které mají vyšší chladicí výkony než prostá kombinace pračky a výměníku. Jako sekundární vzduch je využíván vzduch odváděný z klimatizovaného prostoru, čerstvý vzduch nebo část již ochlazeného primárního vzduchu.

Při analýze výsledků nelze opomenout, že alternativní způsoby chlazení využívají větší průtoky venkovního vzduchu. To samo o sobě vede k výraznému snížení spotřeby energie pro chlazení, neboť většinu chladicí sezóny je teplota venkovního vzduchu nižší než teplota požadovaná.

Problémy alternativního chlazení budov
Problémů spojených s využitím alternativních způsobů chlazení budov je celá řada. Kromě již zmiňované náročnosti detailního dimenzování je velkým problémem i nutnost velmi úzké koordinace všech oblastí a stupňů vypracování projektu a realizace díla. Tato spolupráce a koordinace je často potlačena stávajícím systémem zadávání zakázek. Některé systémy nepřinášejí očekávané výsledky, a to nikoli proto, že by byly špatně navrženy, ale zejména z důvodů změn v užívání stavby, realizace systémů techniky prostředí a často nevhodně navržené či provozované regulaci.

Dále existují problémy spojené s jednotlivými technologiemi. Pro adiabatické chlazení je hlavním nedostatkem údržba praček vzduchu. Pračky vyžadují pravidelnou údržbu, je třeba též zabránit množení nebezpečných či obtěžujících bakterií v pračkách apod.

Závěr
Alternativní způsoby chlazení mohou přinést jak zvýšení tepelného komfortu v neklimatizovaných budovách, tak výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení v hybridních systémech. Koncept nízkoenergetické či pasivní budovy z pohledu chlazení musí vycházet již z architektonického řešení. Kromě uplatňování prvků pro snížení tepelných zisků z vnějšího prostředí (stínění, přirozené větrání atd.) je třeba zajistit i užívání budovy v souladu s touto koncepcí.

Pro dimenzování alternativních způsobů chlazení budov stále chybí standardní postupy, a proto je vhodné využívat metod modelování a počítačové simulace při jejich návrhu a optimalizaci.

Literatura

[1]	Barnard, N., Jaunzens, D., 2001, Low Energy Cooling - Technology Selection and Early Design Guidance, Building Research Establishment Ltd, London, 109 p.
[2]	Bartak, M., Drkal, F., Hensen, J., Lain, M., 2001, Design Support Simulations For The Prague Zoo "Indonesian Jungle" Pavilion, Proc. Building Simulation 2001, IBPSA, p.841 to 845.
[3]	Behne, M., 1997, Alternatives to Compressive Coolingin Non-Residential Buildings to Reduce Primary Energy Consumption, Final report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California.
[4]	Duska, M., 2003, Alternativni chlazeni kancelarskych prostor, Thesis Czech Technical University in Prague, 101 p.
[5]	Heap, R.D., 2001, Refrigeration and air conditioning - the response to climate change, Bulletin of the IIR - No 2001-5,
[6]	IEA, 1995, Review of Low Energy Cooling Technologies, Natural resources Canada, Ottawa, Canada, 88 p.
[7]	Lain, M., 2002, Počítačové simulace při řešení alternativních způsobů chlazení budov, Proc. Simulace budov a techniky prostředí 2002, IBPSA-CZ, p.93 to 96.
[8]	Liddament, M. W., 2000, Low energy cooling, ESSU, Coventry, U.K., 32 p.
[9]	Roel, H., 2000, Low Energy Cooling-Detailed Design Tools, Building Research Estabilishment Ltd, London, 327 p.
[10]	Santamouris, M., Asimakopoulos, D., 1996, Passive Cooling of Buildings, James&James Ltd., London, U.K., 472 p.
[11]	Lain, M., Duška, M., Matejíček, K.: Applicability Of Evaporative Cooling Techniques in the Czech Republic, Proc. International Congres of Refrigeration 2003, IIR.