Výpočet letného prehrievania budov

1. Úvod

Fenomén klimatických zmien je v súčasnosti často diskutovanou témou. Od stavieb sa v súvislosti s týmto fenoménom očakáva významný príspevok k znižovaniu emisií skleníkových plynov. V oblasti návrhu „nízkouhlíkových“ budov, už pracuje veľa špičkových tímov. Avšak pozornosť by sme nemali zameriavať len na to, ako klimatickú zmenu zmierniť, ale aj ako čeliť jej dôsledkom. Vzhľadom k tomu, že tepelná pohoda v interiéri budov je silne ovplyvnená teplotou vonkajšieho vzduchu, výskyt dlhších súvislých sérií neobyčajne teplých dní môže prestavovať veľký teplotný stres. Pri projektovaní budov bude potrebné zodpovedne riešiť letné prehrievanie, pretože série mimoriadne teplých dní sa vyskytujú čoraz častejšie [1]. Dobrý návrh má mať svoju oporu v kvalitne zvládnutých výpočtoch.

2. Výpočtový postup

V minulom roku prišla do platnosti nová norma pre výpočet letného prehrievania STN EN ISO 52016-1 [2], ktorá pracuje s hodinovou výpočtovou metódou. Tento výpočet je založený na opakovanom riešení sústavy bilančných rovníc tepelnej rovnováhy v hodinových časových krokoch. Rovnice tepelnej rovnováhy sú zostavované pre vnútorný vzduch v miestnosti a pre konštrukcie ohraničujúce riešenú zónu. Počet rovníc zodpovedá počtu uzlových bodov v ktorých je riešená teplota a tepelný tok. Takýto výpočet nie je možné vykonať inak ako pomocou počítačového (ideálne simulačného) programu. Výhodou nového postupu výpočtu letného prehrievania miestnosti je okrem spresnenia výsledkov tiež zásadné rozšírenie možnosti zadávania transparentných konštrukcií a ich tienenia pevnými alebo pohyblivými tieniacimi prekážkami. Výsledkom výpočtu je denný priebeh interiérovej teploty vzduchu, operatívnej teploty, prípadne aj povrchových teplôt a rôznych tepelných tokov.

3. Výpočtové programy

Z praktického hľadiska vzniká otázka, aký výpočtový nástroj sa dá pre výpočet letného prehrievania podľa hore uvedenej normy využívať. V prvom rade je to skupina medzinárodne validovaným programov, z ktorých je u nás najrozšírenejšie simulačné prostredie DesignBuilder [3]. O niečo jednoduchší program, dostupný aj v slovenskom jazyku je program Simulace z balíka Sloboda software 2018 [4]. Na obrázku 1 a obr. 2 je zobrazené porovnanie výpočtu denného priebehu teploty vzduchu a operatívnej teploty pri použití výpočtu v týchto dvoch programoch. Z grafov je zrejmé, že výsledná maximálna hodnota teploty vzduchu alebo operatívnej teploty môže byť zhodná, hoci priebeh počas dňa sa bude vždy líšiť a absolútna zhoda je takmer nedosiahnuteľná. Je dôležitý fakt, pretože pri vyhodnotení letného prehrievania je potrebné stanoviť počet hodín, keď bude teplota vzduchu prevyšovať 26,0 °C [5] podľa slovenskej normy. Zatiaľ čo program Simulace 2018 je postavený priamo na výpočte podľa STN EN ISO 52016-1, výpočet cez DesignBuilder je oveľa detailnejší. Napríklad využíva výpočet distribúcie tepla sálaním z 3D modelu a môže pracovať s kratším časovým krokom ako je jedna hodina. Navyše, aby bolo možné priame porovnanie výsledkov z týchto dvoch programov medzi sebou je potrebné upraviť klimatické údaje v programe DesignBuilder tak, aby vznikla séria rovnakých horúci dní. Pri simulácií sa totiž počítajú aj prechádzajúce dni (model sa nastavuje na východzí stav), ktoré nie sú ešte priamo výsledkom výpočtu, ale výsledok významne ovplyvňujú.

Obr. 1 Výsledky denného priebehu teploty vzduchu zo simulácií v dvoch rôznych programoch

Obr. 2 Výsledky denného priebehu operatívnej teploty zo simulácií v dvoch rôznych programoch

4. Klimatické podmienky

Výpočet letného prehrievania hodinovou metódou môže využívať štandardné klimatické podmienky v hodinových intervaloch podľa STN EN ISO 15927-4 [6]. Priemerná teplota počas sekvencie s letným extrémom môže byť zhodná s návrhovou teplotou podľa STN EN 12831-1 [7]. Slnečné žiarenie musí byť rozdelené na priamu a difúznu zložku. Pre výpočet tepelnej straty či zisku vetraním sa uvažuje teplota vonkajšieho vzduchu z klimatickej okrajovej podmienky. Podľa normy STN EN 12831-1 by sa mala vonkajšia teplota z referenčného miesta upraviť o korekciu na nadmorskú výšku a časovú konštantu budovy. Navyše je známe, že vonkajšia teplota môže byť silno ovplyvnená hustotou zástavby.

5. Vplyv exteriérovej teploty na výsledky simulácie

Obr. 3 Denný priebeh teplôt vzduchu použitých v simulácii: meteo sú údaje z meteorologickej stanice na streche ostatné sú údaje z fasádnych meteostaníc na 4.NP budovy

Za účelom podrobného sledovania klimatických podmienok v tesnej blízkosti fasády budovy bolo inštalovaných 36 malých meteorologických staníc na budove Výskumného centra Žilinskej univerzity. Výsledky monitorovania teploty vzduchu v slnečný letný deň 20. 6. 2017 na štyri svetové strany sú uvedené na obr. 3. Priebehy sú len orientačne korigované nepresnosťou merania teploty vplyvom radiačného krytu [8], ale veľmi jasne ukazujú vplyv od slnka zohriatej fasády na teplotu vzduchu v jej blízkosti. Tento efekt samozrejme mierne narastá s výškou nad terénom. V čase a na mieste bez priameho slnečného žiarenia sú všetky teploty vzduchu takmer rovnaké. Nakoľko severná fasáda budovy je mierne pootočená na východ (cca 15 stupňov), boli teploty v blízkosti tejto fasády skoro ráno ovplyvnené priamym slnečným žiarením približne rovnako ako na východnej fasáde. Najvyššia zaznamenaná teplota bola na západnej fasáde a to približne o 6 °C ako v tieni. Otázkou je, ako sa tento rozdiel prejaví v simulácií letného prehrievania. Odpoveď sa snaží dať nasledujúca simulačná štúdia.

V rámci simulačnej štúdie bol vytvorený model menšej kancelárie s jedným oknom na predmetnej budove (obr. 4). Model vnútorných tepelných ziskov je ovplyvnený pracovným časom, ten bol uvažovaný od 8:00 do 17:00. Zisky z osvetlenia boli malé, len 1 W/m². Zisky od prístrojov boli na úrovni 7 W/m². Kvalitné vonkajšie tienenie má celkovú priepustnosť slnečného žiarenia len 8 % a zaťahuje sa, keď dopadajúce žiarenie prekročí limit 50 W na m² plochy okna. Vetranie je simulované číslom výmeny vzduchu podľa denného režimu, znázorneného na obrázku č. 5. Predpokladá sa, že z bezpečnostných dôvodov musia byť okná v noci zatvorené. Výsledky simulačnej štúdie sú uvedené na obr. 6 až 9.

Obr. 4 Geometria jednoduchého modelu kancelárie na budove Výskumného centra ŽU

Obr. 5 Vstupné údaje do simulácie pre vyhodnotenie vplyvu správnej teploty vetraného vzduchu na letné prehrievanie kancelárie

Obr. 6 Simulované teploty v interiéri kancelárie s fasádou orientovanou na východ v prípade, že bola vo výpočte použitá teplota vonkajšieho vzduchu z meteorologickej stanice umiestnenej na streche susedného objektu a zo stanice na východnej fasáde budovy na 4.NP.

Obr. 7 Simulované teploty v interiéri kancelárie s fasádou orientovanou na juh v prípade, že bola vo výpočte použitá teplota vonkajšieho vzduchu z meteorologickej stanice umiestnenej na streche susedného objektu a zo stanice na južnej fasáde budovy na 4.NP.

Obr. 8 Simulované teploty v interiéri kancelárie s fasádou orientovanou na západ v prípade, že bola vo výpočte použitá teplota vonkajšieho vzduchu z meteorologickej stanice umiestnenej na streche susedného objektu a zo stanice na západnej fasáde budovy na 4.NP.

Obr. 9 Simulované teploty v interiéri kancelárie s fasádou orientovanou na sever v prípade, že bola vo výpočte použitá teplota vonkajšieho vzduchu z meteorologickej stanice umiestnenej na streche susedného objektu a zo stanice na severnej fasáde budovy na 4.NP.

Z priebehu grafov teplôt v kancelárii s fasádou orientovanou na východ vyplýva, že ak sa uvažuje s ohriatím vzduchu pred fasádou v ranných hodinách, neklesne v tomto čase teplota vzduchu v kancelárií ale naopak s intenzívnym vetraním viac stúpa. Takto je teplota vzduchu v kancelárii vysoká počas celého pracovného času a tepelnú pohodu nie je možné upraviť intenzívnejším vetraním. Z priebehu grafov teplôt v kancelárii s fasádou orientovanou na juh vyplýva, že ak sa uvažuje s vetraným vzduchom pred fasádou dosahuje maximálne teplota vzduchu v kancelárii viac ako 28 °C, kým pri uvažovaní s vetraným vzduchom s teplotou z meteorologickej stanice na streche je to o jeden stupeň menej. Priebeh teploty vzduchu v kancelárii vetranej vzduchom z fasády orientovanej na západ sa výrazne odlišuje v popoludňajších hodinách. A naopak, priebeh teploty vzduchu v kancelárii vetranej vzduchom z fasády orientovanej na sever sa najviac odlišuje v ranných hodinách. Pritom opäť platí, že nedošlo k úprave tepelnej pohody vplyvom intenzívnejšieho vetrania v ranných hodinách. Aj keď bola teplota vzduchu v kancelárii vo všetkých prípadoch (okrem severnej strany) na konci dňa približne rovnaká, ak nasleduje ďalší slnečný deň, vplyv chyby z neuvažovania vetrania vzduchom z fasády sa bude na druhý deň zvyšovať. Rozdiel pri viacdennej simulácii bude postupne narastať, čo dokazuje aj výsledok simulácie s trojdňovým upraveným klimatickým súborom na obr. 10. Simuluje sa tak prípad, keď teplota exteriérového vzduchu klesne na úroveň, ktorá umožňuje ochladenie vetraním až v čase, keď v kancelárii nik nie je a okná už musia byť zatvorené.

Obr. 10 Výsledky viacdennej simulácie teploty v interiéri kancelárie s fasádou orientovanou na východ v prípade, že bola vo výpočte použitá teplota vonkajšieho vzduchu z meteorologickej stanice umiestnenej na streche susedného objektu a zo stanice na východnej fasáde budovy na 4.NP.

6. Ďalšie najvýznamnejšie faktory letného prehrievania

Je známe, že teplota vzduchu v miestnosti je ovplyvnená viacerými faktormi, ktoré sú vo vzájomnom spolupôsobení. Z výsledkov parametrických štúdií [9,10] zisťujeme, že ak zmeníme jeden parameter, napríklad intenzitu výmeny vzduchu, môžeme očakávať, že vplyv iného parametra na prehrievanie (napr. akumulačnej hmoty) bude odlišný pri vyššej a nižšej intenzite výmeny vzduchu. Podobne to bude aj s inými faktormi.

Podstatný vplyv na výsledky letného prehrievania má vonkajšie tienenie, intenzita vetrania a veľkosť vnútorných tepelných ziskov. Z pohľadu súčasnej výstavby, ktorá obsahuje obalové konštrukcie s relatívne veľkou hrúbkou tepelnej izolácie, je dôležité predovšetkým eliminovať tepelné zisky. Akumulačná hmota v interiéri má o niečo menší vplyv, nakoľko na akumulácií tepla v rámci denného cyklu sa účinne podieľa iba malá hrúbka vnútornej konštrukcie [11].

Uvedené najvýznamnejšie faktory majú premenlivý, náhodný charakter v čase. Umením simulácie je vytvoriť taký model zjednodušenia reality, ktorý bude dostatočne presný a reálny. Nasledujúca simulačná štúdia hodnotí vplyv rozvrhu vetrania na priebeh teploty vzduchu v bytovom dobe najrozšírenejšej panelovej sústavy T06B, zateplenej na úroveň súčasných požiadaviek.

7. Vplyv uvažovaného rozvrhu vetrania

Na obr. 11 sú uvedené tri rozvrhy vetrania použité v testovacej simulácii bytového domu spolu s teplotou vonkajšieho vzduchu získanou z referenčného roku databázy IWEC pre mesto Ostrava [12]. Na grafe vidieť, že v prvých dvoch rozvrhoch vetrania je teplota vonkajšieho vzduchu pri poobedňajšom intenzívnom vetraní stále príliš vysoká (okolo 32 °C). Vetranie v tomto čase znamená v miestnosti tepelnú záťaž. Na druhej strane, z hľadiska tepelnej pohody obyvateľov môže byť intenzívne vetranie (prievan) v čase teplotného maxima v interiéri žiadané. Tretí režim vetrania má intenzívne vetranie až neskôr večer, keď už teplota vonkajšieho vzduchu čiastočne klesne. Vetranie v tomto čase nespôsobuje v miestnosti tak veľkú tepelnú záťaž. Malá intenzita vetrania cez deň súvisí s malou obsadenosťou bytu. Ide o pracujúcich ľudí, ktorí ráno odchádzajú z bytu a poobede sa vracajú. Zisky boli diverzifikované podľa účelu miestnosti, pričom nebolo simulované miešanie vzduchu medzi miestnosťami cez interiérové dvere. V každej miestnosti vnútorné zisky rástli mierne ráno a najviac večer, keď sa predpokladá v byte najväčšia aktivita. Na rozdiel od simulácie kancelárie v simulácií bytového domu sa predpokladalo len vnútorné tienenie, ktorého celková priepustnosť slnečného žiarenia bola na úrovni 30 % (obr. 12).

Obr. 11 Denné rozvrhy vetrania (cez výmenu vzduchu) použité v testovacej simulácii bytového domu

Obr. 12 Denné rozvrhy tepelných ziskov v obytnej miestnosti s južne orientovaným oknom použité v testovacej simulácii bytového domu

Obr. 13 Priebeh operatívnej teploty obývacej izby s južne orientovaným oknom pri rôznych rozvrhoch vetrania v testovacej simulácii letného prehrievania bytového domu

Graf na obr. 13 zobrazuje priebeh operatívnej teploty pre jednotlivé rozvrhy vetrania v čase troch po sebe idúcich letných extrémnych dňoch v obývacej miestnosti, ktorá má južnú orientáciu okien. Priebehy začínajú na rovnakej hodnote, aby bolo umožnené ich jednoduchšie porovnanie. Miestnosť má s rozvrhom vetrania 1 a rozvrhom vetrania 2 veľmi podobný priebeh operatívnej teploty. Významnejšiu zmenu predstavuje rozvrh vetrania 3, najmä v popoludňajších hodinách. Kým pri intenzívnom popoludňajšom vetraní je v miestnosti podvečer dosahované maximum operatívnej teploty (27,7 °C a 27,9 °C, viď. Tabuľka 2) pri režime vetrania 3 je v tom čase už operatívna teplota na zostupe, približne o jeden stupeň nižšia. Celkovo rozdiel v dosahovanej maximálnej operatívnej teplote po troch horúcich dňoch v tejto miestnosti pre jednotlivé rozvrhy vetrania je cca 1,3 °C. Navyše by bolo možné navrhnúť ešte ďalší režim vetrania, ktorý by zvýšil tento rozdiel.

Tabuľka 1 Štatistický výsledok simulácie prehrievania jednotlivých priestorov bytu – z celého dňa

Ako vidieť na prehľadovej tabuľke č. 1 ani jeden z troch testovaných spôsobov vetrania nesplnil v obývacej miestnosti s južnou a západnou orientáciou okien podmienku najvyššieho dovoleného vzostupu teploty v letnom období (operatívna teplota prekračuje 26,0 °C na viac ako 3 hodiny zo dňa). Dôvodom je vysoká teplota exteriérového vzduchu (od 14 °C až do 32 °C) a relatívne malá intenzita výmeny vzduchu v nočných hodinách (1,0 h^-1). Takáto nízka výmena vzduchu zodpovedá približne oknám otvoreným do ventilačnej polohy. Len zriedka možno predpokladať, že v noci počas spánku budú mať ľudia v byte okná otvorené dokorán a naprieč, pretože bez regulácie vzniká riziko podchladenia v skorých ranných hodinách. Teoreticky, ak by sa vzduch v byte dokázal v noci vychladiť na optimálnych 22-23 °C, bolo by možné splniť podmienky tepelnej pohody počas celého dňa. V porovnaní s miestnosťou, kde je okno orientované na sever, je možné vyvodiť záver, že zlepšenie je možné dosiahnuť aj podstatným vylepšením tieniacej techniky okien, ktoré umožní zníženie solárnych ziskov na minimum.

Tabuľka 2 Maximálna teplota ako výsledok simulácie prehrievania jednotlivých priestorov bytu

Z pohľadu dosahovanej maximálnej teploty vnútorného vzduchu (tabuľka 2) sú výsledky na juh a najmä na západ orientovaných miestností málo odlišné pre jednotlivé rozvrhy vetrania. Aj napriek tomu, že sa simuluje konštrukčný systém s vyššou tepelnou zotrvačnosťou vnútorných konštrukcií (stavebná sústava T06B) a účinné tienenie zasklených plôch (solárny zisk v miestnosti nepresahuje 400 W) operatívna teplota v kritických miestnostiach (kuchyňa a obývačka) prekračuje 26,0 °C počas väčšej časti dňa. Priaznivý vplyv nočného vetrania na maximálnu hodnotu teploty vzduchu sa významne prejavuje v miestnosti, ktorá má nižšie vnútorné tepelné zisky (detská izba alebo spálňa).

8. Záver

Hoci sú v príspevku prezentované výsledky viacerých experimentov zameraných na simulácie letného prehrievania, skutočným cieľom príspevku je vyvolať diskusiu na túto tému v odborných kruhoch. Často sa diskutuje o vplyve stavebného riešenia na letné prehrievanie ale vplyv ľudského správania, napríklad rozvrhu vetrania, býva málokedy zohľadnený.

Poďakovanie: Príspevok vznikol za podpory grantového projektu KEGA č. 032ŽU-4/2018 s názvom: Rozvoj edukačnej podpory študijného programu pozemné stavby.

Referencie:

1. Pecho, J. – Markovič, L.: Posledné štyri roky boli globálne najteplejšie v histórii, aktuality SHMU, dostupné na http://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=975
2. STN EN ISO 52016-1:2018 Energetická hospodárnosť budov. Výpočet potreby tepla na vykurovanie a chladenie, vnútorné teploty a citeľná a latentná tepelná záťaž. Časť 1: Výpočtové postupy.
3. dostupné na www.designbuilder.co.uk
4. dostupné na http://kcad.cz/cz/stavebni-fyzika/tepelna-technika/simulace/
5. STN 730540-2:2012 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
6. STN EN ISO 15927-4:2006 Tepelno-vlhkostné vlastnosti budov. Výpočet a uvádzanie klimatických údajov. Časť 4: Hodinové údaje na posúdenie ročnej potreby energie na vykurovanie a chladenie.
7. STN EN 12831-1:2019 Energetická hospodárnosť budov. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu. Časť 1: Tepelný príkon, Modul M3-3.
8. Tarara, J. M., & Hoheisel, G. (2007). Low-cost Shielding to Minimize Radiation Errors of Temperature Sensors in the Field, HortScience horts, 42(6), 1372-1379. dostupné na: https://journals.ashs.org/hortsci/view/journals/hortsci/42/6/article-p1372.xml
9. Tuohy, P – Clarke, J – Johstone, C: Strategies for low carbon buildings : Assessment of design options and the translation of design intent into performance in practice, dizertačná práca, vydala University Of Strathclyde, 2013, dostupné na https://strathprints.strath.ac.uk/46722/
10. Mikušová M. : Parametrická štúdia systému budova – klíma – energia v dynamickom modely vonkajšej klímy v lokalite Bratislava, dizertačná práca, Katedra konštrukcií pozemných stavieb, 2013, STU Bratislava.
11. Nemeček, M – Kalousek, M,: Vnitřní tepelná akumulace pasivních domů a letní tepelná stabilita, dostupné na https://stavba.tzb-info.cz/pasivni-domy/13198-vnitrni-tepelna-akumulace-pasivnich-domu-a-letni-tepelna-stabilita
12. dostupné na: equaonline.com/ice4user/indexIWEC.html