Analýza energetické náročnosti větrání pro různé dávky větracího vzduchu
Energetická náročnost budov se v době zvyšujících se cen energií stává velmi aktuální. Při zlepšujících se tepelně-technických vlastnostech stavebních konstrukcí se zvyšuje podíl tepelné ztráty větráním na celkové energetické náročnosti budovy. Množství přiváděného větracího vzduchu má vliv nejen na stav vnitřního prostředí, ale také na spotřebu energie.
Při příliš intenzivním větrání dochází ke zbytečně vysoké tepelné ztrátě, a to mnohdy bez podstatného zlepšení kvality vnitřního prostředí (kvality vzduchu). Pokud budeme větrat malým množstvím vzduchu, uspoříme sice energii, ale na druhé straně snížíme kvalitu vnitřního prostředí.
V některých případech je výhodné použít zpětné získávání tepla (ZZT), které dokáže snížit energetickou náročnost větrání. Ne vždy je ale použití tohoto zařízení účelné. Příspěvek se zabývá analýzou tepelných ztrát pro různé dávky větracího vzduchu. Práce kombinuje variantu větrání bez výměníku a s výměníkem pro zpětné získávání tepla a vyhodnocuje, jak která řešení jsou či nejsou úsporná.
Jako modelové případy pro analýzu byly zvoleny: školní třída, fitcentrum, kinosál a model bytu. Každý z těchto případů má svá specifika, jako je celkový objem prostoru, způsob využívání nebo princip větrání. Všechny tyto zvláštnosti byly v simulacích zahrnuty.
Velikost intenzity větrání byla určena počtem přítomných osob a počítána jako dávka čerstvého vzduchu na osobu.
Podrobným rozborem tepelných ztrát pro různé dávky větracího vzduchu a kombinací výměníku pro zpětné získávání tepla můžeme tepelné ztráty větráním účinně redukovat a snižovat tak energetickou náročnost budov. Vhodným nástrojem pro tuto analýzu tepelných ztrát větráním i pro simulace a výpočty je počítačový program TRNSYS 16.1.
NASTAVENÍ A ZJEDNODUŠENÍ
Simulace v programu TRNSYS 16.1 byla s využitím komponenty multizonální budovy (Multi-zone building) typ 56b. Pro čtení meteorologických dat je použita komponenta typu 15-2. Data jsou čtena s časovým krokem jedné hodiny. Stejný časový krok byl použit i pro vlastní simulaci.
Tab. 1 Průměrné roční hodnoty meteorologických dat
Pro všechny simulace byla použita meteorologická data ze stanice Kuchařovice.
Modely školní třídy, fitcentra a bytu zahrnují výměnu vzduchu infiltrací a větráním. Ve výpočtu se předpokládá, že pokud ve větraném prostoru není přítomna žádná osoba, dochází k větrání pouze infiltrací s intenzitou větrání 0,15 h-1. V okamžiku, kdy se v místnosti nachází osoby, zapne se nucené větrání a ve výpočtu se s infiltrací nepočítá. K nucenému větrání se však připočítává hodnota infiltrace 0,15 h-1.
Tento způsob byl zvolen na základě toho, že pokud použijeme výměník zpětného získávání tepla, nebude výměna infiltrací zahrnuta, protože v programu tyto způsoby větrání jsou od sebe odděleny. Proto je vzato toto zjednodušení, kdy je v přítomnosti lidí tepelná ztráta infiltrací nulová, protože všechen vzduch je odsáván větracím zařízením. Tedy i ten, který se ve skutečnosti dostává do místnosti infiltrací.
V případě modelu kinosálu je princip větrání jednodušší. Počítá se bez infiltrace, protože v kinosále nejsou žádná okna ani jiné otvory, které by přímo sousedily s venkovním prostředím. U tohoto modelu se počítá pouze s nuceným větráním provozovaným v době přítomnosti lidí.
Účinnost výměníku pro zpětné získávání tepla (ZZT) byla zvolena pro všechny modely 60 %. Součinitel prostupu tepla pro venkovní stěnu je 0,303 W.m-2K-1. Pro stěny oddělující třídu od chodby a sousedních místností je součinitel prostupu tepla 1,813 W.m-2K-1. Okna mají hodnotu součinitele prostupu tepla 1,27 W.m-2K-1. Strop a podlaha mají shodnou hodnotu 0,316 W.m-2K-1.
ŠKOLNÍ TŘÍDA
Popis modelu
Modelovaná třída má rozměry 12 x 7,5 x 3,5 m a celkový objem 315 m3. Učebna je umístěna v patře mezi dalšími učebnami. Používání okolních učeben je shodné s modelovou učebnou. Místnost má jednu stěnu sousedící s venkovním prostředím. Tato stěna je orientována na východ. V této stěně jsou okna o ploše 24 m2. Protější stěna odděluje třídu od chodby. Ta je vytápěna na teplotu 15 °C. Zbývající dvě stěny sousedí s dalšími třídami.
Obr. 1 Náčrt půdorysu školní třídy
Provoz
Využívání třídy má pravidelný týdenní cyklus, kdy od pondělí do pátku probíhá vyučování. O víkendech, tedy o sobotách a nedělích, není třída nijak využívána. V době výuky je učebna vytápěna na teplotu 20 °C.
Mimo ty to pravidelné dny jsou v simulaci zahrnuty tzv. nestandardní dny. V tomto případě značí prázdniny. Simulace zahrnuje celkem 75 prázdninových dnů.
Využití během pracovních dnů je následující. Od 0 do 8 h ráno není nikdo přítomen. Od 8 do 15 h je ve třídě 20 dětí a jeden učitel. Následně od 15 do 24 hodiny není ve třídě nikdo. Teplota je nastavována podle přítomnosti osob ve třídě. Mezi 8. a 15. hodinou je teplota nastavena na 20 °C. Mimo tento interval a oba celé dny o víkendech je nastavena teplota na 15 °C.
Varianty větrání školní třídy
Simulace a vyhodnocení je vypracováno pro několik variant větrání, ale vždy se stejným modelem a jeho okrajovými podmínkami. Varianty se liší dávkou přiváděného vzduchu na osobu a kombinací použití výměníku pro zpětné získávání tepla (ZZT). Podle vyhlášky č. 410/2005 Sb. je spodní hranice dávky přiváděného čerstvého vzduchu 20 m3 . h-1 na žáka a horní hranice 30 m3 . h-1 na žáka.
Výsledky simulace větrání školní třídy
Výsledky simulace pro školní třídu jsou shrnuty v tab. 2. Čísla v tabulce představují celoroční množství energie (tepla) vynaložené na krytí daného typu tepelné ztráty. Tepelná ztráta prostupem a infiltrací je pro všechny případy prakticky stejná, což je dáno použitými okrajovými a počátečními podmínkami. Rozdíly jsou způsobeny numerickým řešením a nemají fyzikální opodstatnění. Tepelná ztráta větráním se v jednotlivých případech značně liší. V případě větrání s dávkou přiváděného vzduchu na horní hranici intervalu stanoveného vyhláškou 410/2005 Sb. a bez použití ZZT převyšuje množství tepla potřebného na krytí tepelné ztráty větráním množství tepla potřebného pro pokrytí tepelné ztráty prostupem tepla. Podle očekávání se přínos ZZT zvyšuje se zvyšující se intenzitou větrání prostoru (tab. 2).
Tab. 2 Výsledky simulace pro model školní třídy
FITCENTRUM
Prostor fitcentra je o rozměrech 15 x 15 x 5 m o celkovém objemu 1125 m3. Fitcentrum má pouze jednu obvodovou stěnu sousedící s vnějším prostředím. Stěna je orientována na východ. V této stěně jsou současně i okna o celkové ploše 50 m2. Zbývající stěny jsou vnitřní, které sousedí s jinými prostory v objektu, v nichž jsou stejné okrajové podmínky. Všechny prostory ohraničující tuto místnost mají stejný režim provozu a tedy i teplotní profily.
Provoz
Provoz fitcentra je pravidelný v týdenních cyklech po celý rok. Režim provozu je pro pracovní dny jiný než pro víkend. Otevírací doba je v pracovních dnech od 8 do 22 hodin. O víkendech je otevřeno od 12 do 20 hodin. V době, kdy je fitcentrum otevřeno, je nastavena teplota na 18 °C. Mimo otvírací dobu je nastavena teplota na 15 °C.
Varianty větrání fitcentra
Zvolené varianty větrání jsou uvedeny v tab. 3.
Obr. 3 Náčrt půdorysu fitcentra
Obr. 4 Návštěvnost fitcentra během pracovních dní
Tab. 3 Výsledky simulace pro model fitcentra
Výsledky simulace větrání fitcentra
Při intenzivním větrání ve velkých prostorách dochází s použitím zpětného získávání tepla k vyšším úsporám energie. Také s rostoucí intenzitou větrání stoupá efektivita zpětného získávání tepla.
KINOSÁL
Popis modelu
Kinosál o rozměrech 30 x 14 x 8 m má celkový objem 3360 m3. Jediná obvodová stěna sousedící s venkovním prostředím je orientována na východ. Zbývající obvodové stěny sousedí s dalšími místnostmi v objektu. Nad i pod místností jsou další patra. V kinosále nejsou žádná okna.
Provoz
Provoz kina je každý den stejný po dobu celého roku. Kino uvádí dvě filmová představení denně. Promítací hodiny prvního představení jsou od 17 do 19 hodin. Druhé představení začíná promítáním ve 20 hodin a končí ve 22 hodin.
Obr. 5 Návštěvnost fitcentra během víkendu
Obr. 6 Náčrt půdorysu kinosálu
Obr. 7 Diagram návštěvnosti kina
Celková kapacita kinosálu je 230 míst. Návštěvnost prvního představení je v průměru 80 lidí. Druhé představení navštěvuje 210 lidí. V době představení je teplota v kinosále nastavena na hodnotu 20 °C. Pokud je kino uzavřené, je teplota nastavena na 15 °C. O přestávce během prvního a druhého představení zůstává teplota nastavena na 20 °C.
Varianty větrání kinosálu
Počítané varianty větrání pro model kinosálu (tab. 4).
Výsledky simulace větrání kinosálu
Kinosál se choval podobně jak model fitcentra. Ve velkém prostoru se zpětné získávání tepla uplatňuje s dobrými úsporami energie.
BYT
Popis modelu
Model bytu s rozlohou 105,3 m2 je o celkovém objemu 284,3 m3. Výška místností je 2,7 metru. Na rozdíl od ostatních případů je pro interní stěny součinitel prostupu tepla 1,813 W.m-2K-1. Strop a podlaha mají shodnou hodnotu 0,287 W.m-2K-1.
Obr. 8 Náčrt půdorysu bytu
Tab. 4 Výsledky simulace pro model kinosálu
Tab. 5 Rozměry místností v bytě
Tab. 6 Výsledky simulace pro model bytu
Obr. 9 Týdenní průběh obsazenosti bytu
Provoz
Byt je využíván celoročně. Simulace uvažuje byt s čtyřčlennou rodinou. Rodinu tvoří dva pracující dospělí (rodiče) a dvě děti školního věku.
Režim chodu domácnosti uvažuje obývání bytu během pracovních dní. Na víkendy rodina odjíždí pryč.
Využívané místnosti jsou vytápěny na teplotu 20 °C. V nevyužívaných místnostech je teplota snížena na 18 °C. Koupelna s WC a chodba nejsou vytápěny.
Varianty větrání bytu
Varianty jsou kombinací přirozeného a nuceného větrání. Při infiltraci je počítáno s intenzitou větrání 0,15 h-1. U nuceného větrání je hodnota 0,5 h-1, ale protože infiltrovaný vzduch je také odsáván (podtlakovým systémem), je hodnota v simulaci díky tomuto nastavena na hodnotu 0,65 h-1. Při nuceném větrání je do každé místnosti, kromě místností 3 a 6, přiváděn definovaný průtok vzduchu. Vzduch je odsáván v místnosti 3.
Výsledky simulace větrání bytu
V modelu bytu má největší podíl na tepelných ztrátách prostup tepla, a to u všech variant. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tab. 6
ZÁVĚR
V době, kdy se neustále zvyšují ceny energií, nabývá energetická náročnost budov na významu. Při používání stavebních konstrukcí se stále lepšími tepelně-technickými vlastnostmi (nízké hodnoty součinitele prostupu tepla) narůstá podíl tepelné ztráty větráním na celkové tepelné ztrátě. Správný způsob větrání má velký význam nejen z hlediska kvality vnitřního prostředí, ale také z hlediska energetické náročnosti.
Jak je možné vidět ze simulací, zvyšující se průtok přiváděného větracího vzduchu logicky vede ke zvýšení tepelné ztráty větráním, které je možno čelit pouze použitím zpětného získávání tepla. Zvolená účinnost zařízení pro ZZT (60 %) je na dolní hranici požadavků pro tato zařízení podle ČSN 730540 Tepelná ochrana budov. Přesto je přínos ZZT ve všech uvažovaných případech značný.
Simulované případy se od sebe liší především v časových profilech přítomnosti osob. U školní třídy lze celkem přesně stanovit její časové využití i počet přítomných osob. V případě fitcentra a kinosálu se počty osob mohou den ode dne značně lišit a vzniká otázka, jakým způsobem zajistit přiměřené větrání. Průtok přiváděného vzduchu stanovený z maximální kapacity uvedených prostor je po většinu času příliš velký a vedl by k nadměrné tepelné ztrátě větráním. Nejlepším řešením je přímé monitorování kvality vzduchu, např. senzorem oxidu uhličitého a případně i senzorem relativní vlhkosti nebo dalších škodlivin. To umožňuje měnit přívod vzduchu v závislosti na aktuální potřebě. Scénář s řízením větrání zatím simulován nebyl, ale lze očekávat, že bude z energetického hlediska nejúspornější.
U modelu školní třídy při nižší intenzitě větrání došlo k tomu, že největší tepelné ztráty tvořily ztráty prostupem tepla. Při zvýšení hodnoty intenzity větrání se staly ztráty větráním hlavní složkou celkových tepelných ztrát. Při vyšších hodnotách intenzity větrání byly při použití ZZT dosaženy i větší energetické úspory. Je ovšem otázka, kolik školních tříd dnes splňuje alespoň minimální požadavek na průtok přiváděného vzduchu uvedený ve vyhlášce 410/2005. Pro zvolenou třídu s velmi štědrou podlahovou plochou na jednoho žáka (4,5 m2) vychází intenzita větrání dle požadavků vyhlášky n > 1,3 h-1. Tak vysokou intenzitu větrání nelze v přirozeně větrané třídě bez pravidelného provětrávání okny zajistit.
Model fitcentra se choval, jen s malými odlišnostmi, podobně jako model školní třídy. Celkový přívod větracího vzduchu byl obecně vyšší než v případě třídy, což se projevilo i na vyšším podílu tepelné ztráty větráním. Vysoký stupeň fyzické aktivity návštěvníků fitcentra vede k vyšší produkci oxidu uhličitého i vodní páry a proto lze očekávat průtok přiváděného vzduchu spíše na horní hranici simulovaných případů.
Největší z modelů byl model kinosálu. U tohoto modelu, jako jediného, nedocházelo k infiltraci venkovního vzduchu. K infiltraci vzduchu z okolních prostor samozřejmě docházet může, ale pro potřeby zjednodušené simulace můžeme uvažovat, že má tento vzduch stejnou teplotu jako vzduch v kinosále. V případě kinosálu se vzhledem k velkému celkovému průtoku přiváděného vzduchu nejvíce projevoval přínos ZZT. Při plné kapacitě kinosálu a dávce přiváděného vzduchu na osobu 50 m3 . hod-1 je intenzita výměny vzduchu n = 3,4 h-1.
V případě kinosálu je pro nejvyšší intenzitu větrání úspora energie při použití ZZT cca 50 %.
Poslední z modelů byl model bytu. U tohoto modelu se ukázalo, tak jako u modelu školní třídy, že největší tepelnou ztrátu tvoří ztráta prostupem tepla. V případě modelovaného bytu je ztráta prostupem tepla natolik vysoká, že pro daný případ by mohlo být výhodnější nejdříve aplikovat úsporná opatření na straně tepelné ztráty prostupem a teprve potom na straně větrání. Pro byt s lepšími tepelně technickými vlastnostmi stavebních konstrukcí by byla situace samozřejmě odlišná.
Použité zdroje:
[1] Janírek, M. S. Analýza tepelné ztráty větráním pro různě definovaná množství větracího vzduchu, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, 2008. 76 s.
[2 Vyhláška 410/2005 Sb., O hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých.
[3] ČSN 73 0540-2. Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. Praha: Český normalizační institut, 2007. 41 s.
Poznámka recenzenta: Autor používá dávku větracího vzduchu 15 m3h-1 na osobu pro simulaci větrání ve fitcentru (tab. 3). Tato hodnota je nevyhovující, doporučuji používat dávku 100 až 150 m3h-1 větracího vzduchu na cvičící osobu.
The energy performance of buildings in these times of rising energy prices has become a very important topic. Improvements in the thermal properties of structures increase the proportion of the heat losses of ventilation in the overall energy performance of the buildings. The volume of ventilation air that is let in has an impact not only on the conditions of the internal environment, but also on the energy consumption of a building.