Energetická hospodárnosť obytných miestností pri rozličných vykurovacích systémoch
© Adobe Stock
Je výhodné uplatnit zónovou regulaci v jednotlivých v místnostech, zejména v rodinných domech? V příspěvku je výsledek analýzy vlivu zónového vytápění při dvou různých typech předávání tepla na vnitřní operativní teplotu v jednotlivých analyzovaných zónách, které mají společnou dělicí konstrukci.
Téma článku
Základným konceptom pri navrhovaní budov s nulovou spotrebou energie je okrem kvalitných tepelnotechnických vlastností obvodového plášťa aj správny a efektívny systém vykurovania a prípravy teplej vody v obytných budovách. Jedným zo základným konceptom pri navrhovaní systémoch vykurovania je systém zónového vykurovania. Ide o systém, ktorý prináša efektívnu reguláciu podľa vykurovacích zón. V praxi sa občas vyskytuje otázka, či je potrebná zónová regulácia jednotlivých v miestností, najmä v malých rodinných domoch. Či práve pri takýchto budovách nie je zónové vykurovanie zbytočným nákladom na investíciu. V danom príspevku analyzujeme vplyv zónového vykurovania pri dvoch typoch systémoch odovzdávania tepla na vnútornú operatívnu teplotu v jednotlivých analyzovaných zónach, ktoré sú navzájom prepojené vnútornou deliacou konštrukciou. Ide o overenie, že aj v menších priestoroch má zónové vykurovanie výrazný potenciál na úsporu energie.
1. Úvod
Zákon č. 300/2012 Z. z. stanovuje, že od 1. 1. 2021 sa budú musieť navrhovať budovy s takmer nulovou spotrebou. Budova s takmer nulovou spotrebou je z hľadiska energetickej hospodárnosti budov zatriedená do energetickej triedy A0 pre globálny ukazovateľ, ktorým je primárna energia. Na dosiahnutie tejto kategórie budov je potrebné zlepšovať obvodový plášť z tepelno-technického hľadiska. Hľadať optimálne riešenie, ktoré zabezpečí rovnováhu medzi nákladmi na progresívne materiály, technické zariadenie budov s celkovým znížením energetickej náročnosti. Jedným z faktorov je konfigurácia obvodových plášťov, od ktorej závisia energetické úspory. Okrem tepelnotechnických vlastností obvodového plášťa, ktorý je súčasťou tepelnej ochrany budov, má výrazný vplyv na energetickú triedu obytných budov aj zvolený zdroj tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody. V danom príspevku analyzujeme, na vybranej obytnej miestnosti, vplyv odovzdávacieho systému vykurovania na zónové vykurovanie, ktoré je jedným zo základných konceptov pre budovy s takmer nulovou spotrebou energie. Pri analýze kombinujeme rôzne typy odovzdávania tepla do priestoru a sledujeme ich dopad na teplotu vzduchu a operatívnu teplotu v jednotlivých zónach, ktoré sú navzájom v interakcii. Jedna zóna je realizovaná so zdrojom tepla a druhá zóna bez.
2. Opis analyzovaného modelu
Pre danú analýzu bola vybraná zóna s pôdorysnou plochou 16,0 m2 a objemom 42,4 m3. Ide o zónu, ktorá predstavuje štandardnú obytnú miestnosť v rodinnom dome. Pri danej CFD simulácii boli modelované dve zóny. Jedna zóna je uvažovaná ako vykurovaná s odovzdávacou vykurovacou sústavou v dvoch alternatívach. Prvú alternatívu predstavuje odovzdávanie tepla do priestoru pomocou stenového radiátora umiestneného pod transparentnou konštrukciou a druhú alternatívu predstavuje podlahové vykurovanie, zabudované v podlahe. Zóna vľavo je potom nevykurovaná (obr. 1). Medzi jednotlivými zónami je uvažovaná vzájomná interakcia, ktorá bola uvažovaná aj pri simulácii. Jednotlivé obalové konštrukcie (strop, obvodová stena, podlaha a transparentné konštrukcie) boli navrhnuté z tepelnotechnického hľadiska tak, aby spĺňali kritérium odporúčaných hodnôt, ktoré sú stanovené v teplotechnickej norme STN 73 0540-2:2012 (Z1/2016, Z2/2019) [1].
a) pôdorys zón
b) rez zónami
Obr. 1 Geometria modelu jednotlivých simulovaných zón (vykurovanej a nevykurovanej)
Pre obvodovú stenu je hodnota Ustena = 0,22 W/(m2.K), transparentné konštrukcie sa definujú hodnotou Uokno(W) = 0,90 W/(m2.K) (čiastkovými hodnotami pre zasklenie Ug = 0,60 a pre rám Uf = 1,00 W/(m2.K)). Aby bolo možné analyzovať interakciu vykurovanej zóny a nevykurovanej zóny, je potrebné stanoviť tepelnotechnické vlastnosti aj deliacej, nenosnej konštrukcie. Pre analýzu interakcie oboch týchto zón sa ich tepelnotechnické vlastnosti uvažovali v dvoch alternatívach. Prvá alternatíva predstavuje priečku hr. 150 mm so súčiniteľom tepelnej vodivosti λ = 0,13 W/(m.K), napĺňajúc tak požiadavku normy na deliacu priečku medzi bytmi Upriečka = 0,75 (m2.K/W) – (v praxi sa vyskytuje tento materiál ako keramická pálená tehla) a druhá alternatíva predstavuje priečku hr. 150 mm s λ = 1,58 W/(m.K) – (v praxi sa vyskytuje tento materiál ako železobetónová konštrukcia).
3. Opis výpočtovej metodiky
Na danú analýzu bol použitý simulačný program FLOVENT. FLOVENT je výkonný softvér na výpočet dynamiky tekutín (CFD), ktorý predpovedá 3D toky vzduchu, prenos tepla, optimalizácie vykurovacích, ventilačných a klimatizačných systémov (HVAC) a iné. V našom príspevku bola sledovaná analýza vplyvu vykurovanej zóny s dvomi alternatívami odovzdávania tepla, s dvomi alternatívami tepelnotechnickými vlastnosťami deliacej nenosnej priečky a s rôznou intenzitou výmeny vzduchu na nevykurovanú zónu. Touto analýzou sa má potvrdiť, že nie je možné správne regulovať vykurovanie v budovách, ak nie je použité vykurovanie založené na zónovej regulácii. Výrazný vplyv na zónové vykurovanie majú tepelnotechnické požiadavky teplo-výmenného obalu, orientácia transparentných konštrukcií, tepelnotechnické a akumulačné vlastnosti deliacich priečok medzi jednotlivými zónami, samotný užívateľ, vetranie priestorov, systém vykurovania a hlavne odovzdávanie tepla do priestoru. Intenzita výmeny vzduchu pre jednotlivé zóny bola stanovená postupne hodnotami n = 0,10 ; 0,30 a 0,50 1/h.
3.1 Simulačná CFD analýza interakcie vykurovanej a nevykurovanej zóny
Simulácia bola realizovaná s vyššie popísanými geometrickými, materiálovými a okrajovými podmienkami, teplotou exteriérového vzduchu −11,0 °C, jednou obvodovou stenou, deliacimi priečkami, stropmi a vykurovacím systémom zabezpečujúcim tepelnú pohodu priestoru vo verzii podlahového vykurovania s kapacitou systému 28,0 W/m2 (spolu 496,0 W) a stenovým radiátorom s kapacitou 375,0 W. Energetická požiadavka pri infiltrácii n = 0,50 1/h pritom je 127,0 W stratou prechodom tepla a 221,0 W vetraním, spolu tak cca 348,0 W.
Obr. 2 Model jednotlivých zón (vykurovanej a nevykurovanej) z programu FLOVENT
3.2 Výsledky analyzovanej interakcii jednotlivých zón zo simulácii
V nasledujúcich obrázkoch 3 až 6 sú zobrazené priečne rezy oboch teplôt, oboma zónami, pri rôznych kombináciách jednotlivých alternatív. Komplexné výsledky zo všetkých týchto kombinácií riešenia vykurovanej a nevykurovanej zóny sú zobrazené v tabuľke 1.
Obr. 3 Zobrazenie teplôt pre podlahové vykurovanie, n = 0,10 1/h, priečka zo železobetónu
Obr. 4 Zobrazenie teplôt pre podlahové vykurovanie, n = 0,10 1/h, priečka z keramickej tehly
Obr. 5 Zobrazenie teplôt pre podlahové vykurovanie, n = 0,50 1/h, priečka zo železobetónu
Obr. 6 Zobrazenie teplôt pre podlahové vykurovanie, n = 0,50 1/h, priečka z keramickej tehly
Tab. 1 Komplexný prehľad výsledkov CFD simulácie rôznych alternatív riešenia
4. Záver
Ako je vidno z predchádzajúci výsledkov, zónové vykurovanie má výrazný vplyv na teploty v zónach. Predložené výsledky dokazujú, že ak by boli vedľa seba umiestnené dve miestnosti, z ktorých jedna je vykurovaná a druhá nie, nevykurovaná by bola výrazne podchladzovaná – pri poklese operatívnej teploty až o cca 3,3 K pri betónovej a dokonca až o 7,5 K pri priečke tehlovej, voči vykurovanej miestnosti. Simulácie tiež preukázali, že podlahové vykurovanie pri zvyšovaní infiltrácie (z úrovne 0,10 na 0,50 1/h) spôsobuje pokles teploty vzduchu vo verzii priečky železobetón o 2,1 K a v prípade tehly až o 4,6 K. Ak by sa nachádzal termostat iba v jednej z miestností, dochádzalo by tak k výraznému diskomfortu. Z hľadiska efektívnosti celého vykurovacieho systému sa ukazuje, že radiátor je vhodnejší, nakoľko napríklad pri výmene vzduchu n = 0,50 1/h potrebuje pre udržanie identickej teploty vzduchu +20,72 °C energetickú kapacitu radiátora 375,0 W (pričom podlahovka „vyžaduje“ 496,0 W).
Poďakovanie
Tento výskum bol podporený Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVŠ SR a SAV podľa VEGA 1/0113/19 a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-16-0126.
Literatúra
- STN 73 0540-2, Z1/2016, Z2/2019: Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Tepelná ochrana budov, Časť 2: Funkčné požiadavky. 2019. Zmena 1 + Zmena 2.
Článek je mírně poupravenou verzí přednášky, která byla součástí mezinárodní vědecko-technické konference Vykurovanie 2020, Slovensko, Podbánské, 10. až 14. února 2020.
Is it advantageous to apply zone regulation in individual rooms, especially in family houses? The paper describes results of analysis of the effect of zone heating in two different types of heat transfer on the internal operating temperature in the analyzed zones, which have a common partition structure.