Metoda analýzy výkonu ventilačních systémů obytných budov
Srovnání využití primární energie pro referenční bytový dům vybavený třemi různými systémy ventilace (dva referenční a jeden hodnocený) prokázalo, že použití hybridního systému DCV řízeného dle potřeby na základě vlhkosti vede k významným úsporám energie.
Tento článek popisuje referenční koncepci ventilačních systémů obytných budov vyvinutou Polskou národní agenturou pro úspory energie a Varšavskou technickou univerzitou. Hodnocení je založeno na počítačových simulacích.
Tento článek vyšel v časopise REHVA Journal 4/2013 a na TZB-info je publikován v rámci dohody o spolupráci mezi pořadatelem Aqua-therm Praha 2014 a mezinárodní organizací REHVA, která je partnerem veletrhu.Referenční systém používá dva typy virtuálních referenčních budov: 8patrový bytový dům a 2patrový rodinný dům. Referenční budovy jsou vybaveny 2 referenčními ventilačními systémy: přirozená (pasivní ventilace) a mechanická odtahová ventilace (centrální ventilátor). Jako referenční hodnota využití primární energie je zvolena průměrná hodnota pro dva referenční ventilační systémy. Posuzované ventilační systémy získávají energetickou třídu od A1 do D v závislosti na procentech využití referenční primární energie. Doporučený systém musí poskytovat alespoň 30% energetické úspory a současně musí zajistit, že během činnosti je zajištěna požadovaná intenzita větrání.
Koncepce hodnocení ventilačních systémů
Národní agentura pro úspory energie (NAPE) a Varšavská technická univerzita (WUT) vyvinuly referenční systém pro ventilační systémy na základě hodnocení ročního využití primární energie (včetně využití pomocné energie) a kvality vzduchu (s intenzitou větrání jako posuzovaným parametrem). Systém je založen na výsledcích počítačových simulací prováděných pro virtuální referenční budovu v referenčních povětrnostních podmínkách. Koncepci je možno použít pro různé typy budov, avšak stávající metodika je dostatečnědopracována pouze pro obytné budovy.
Obrázek 1. Schematický pohled na referenční schéma NAPE
Metodika NAPE využívá dva typy obytných referenčních budov: bytový dům a rodinný dům. Plány byly připraveny jako kompilace nejtypičtějších řešení pozorovaných v budovách navržených nebo modernizovaných v posledních 20 letech s technickou podporou NAPE.
Referenční metodika NAPE pro obytné budovy je založena na porovnání roční spotřeby primární energie (vytápění a pomocné energie související s ventilací) a množství vzduchu (minimální, maximální a průměrná hodnota pro teploty venkovního vzduchu pod +12 °C) pro tři scénáře (Obrázek 1):
- Referenční budova s referenční pasivní potrubní ventilací,
- Referenční budova s referenční mechanickou odtahovou ventilací,
- Referenční budova s analyzovaným ventilačním systémem.
Referenční využití primární energie je průměrná hodnota pro dva referenční ventilační systémy. Vyšetřované ventilační systémy, v závislosti na procentech využití referenční primární energie, získají energetickou třídu od A1 do D:
| A1 | A2 | B1 | B2 | C | D |
|---|---|---|---|---|---|
| 0–30 % | 30–50 % | 50–70 % | 70–90 % | 90–110 % | > 110 % |
Doporučený systém musí poskytovat alespoň 30 % energetických úspor a současně musí zajišťovat požadovanou dodávku intenzity větrání.
NAPE referenční bytový dům má celkový objem Ve = 5865 m3, povrch obálky Ae = 2028,5 m2 (tvarový poměr Ae / Ve = 0,35) a užitná plocha Af = 1634 m2. Teplo je dodáváno z městské teplárenské sítě.
NAPE referenční rodinný dům má celkový objem Ve = 550,5 m3, povrch pláště Ae = 432,7 m2 (tvarový poměr Ae / Ve = 0,79) a užitnou plochu Af = 149,8 m2. Teplo je generováno v kombinovaném plynovém kotli (účinnost 90 %).
V obou budovách jsou uvažovány dvě varianty referenční ventilace:
- Pasivní potrubní ventilace (okna s větracími otvory a větrací kanály umístěné v kuchyních, toaletách, koupelnách a komorách atd.)
- Mechanická odtahová ventilace s konstantním množstvím vzduchu (místo přívodu vzduchu a odsávání jako výše).
Výpočty spotřeby energie a intenzit větrání jsou prováděny s použitím hodinových povětrnostních dat pro Varšavu.
Obrázek 2. Změny celkového průtoku vzduchu získaného pro bytový dům vybavený referenčními ventilačními systémy: pasivní potrubní ventilace (nahoře) a mechanická odtahová ventilace (dole)
Simulace průtoků vzduchu v budovách
Výpočty průtoků vzduchu jsou prováděny s použitím pseudo-dynamického multi-zónového modelu (CONTAM 3.0 [1]). Možnosti programu CONTAM verze 3 a vyšší jsou docela široké, takže software může být použit pro modelování mnoha typů přirozené, hybridní a mechanické ventilace včetně systémů řízených dle potřeby.
Změny celkového průtoku vzduchu získané pro bytový dům se 2 referenčními ventilačními systémy jsou znázorněny na obrázku 2.
Simulace ročního využití energie
Pro energetickou analýzu celých budov využívá referenční metodika model 6R1C+AHU [3], což je upravená verze jednoduché hodinové metody 5R1C popsané v normě EN ISO-FDIS 13790 [2]. Celková spotřeba tepla a elektřiny je převedena na primární energii s využitím energetických faktorů a pro NAPE referenční budovy byly získány následující výsledky: bytový dům 132 889 kWh/rok (81,31 kWh/(m2rok)) v případě pasivní ventilace a 106 681 kWh/ rok (65,27 kWh/(m2rok)) v případě mechanické odtahové ventilace. Bez jakékoli ventilace by referenční budova používala hypoteticky ~48 000 kWh/rok (29,37 kWh/(m2rok)). Výsledky využití primární energie a intenzity ventilace zakreslené do dvourozměrného grafu vytváří podklad, který je základem pro hodnocení ostatních ventilačních systémů.
Referenční příklad
Příklad představuje analýzu výkonu hybridní ventilace [4] řízené dle potřeby na základě vlhkosti. Větrací otvory použité v tomto systému mají proměnlivé charakteristiky ovlivněné relativní vlhkostí. Pro daný pokles tlaku je průtok vzduchu přímo úměrný relativní vlhkosti (v rozsahu 30 ... 70 %). Charakteristiky odsávacích mřížek rovněž závisí na relativní vlhkosti. Navíc odsávací mřížky, které jsou instalované v koupelnách a na toaletách, jsou vybaveny senzory pohybu, které nuceně otevřou regulační klapky, pokud jsou uživatelé v prostoru (prodleva pro vypnutí je 20 min). Odsávací ventilátory instalované na střeše nad sběrnými kanály jsou vybaveny tlakovými senzory a v případě potřeby mohou snížit otáčky ventilátoru.
V prostředí programu CONTAM byla budova společně s analyzovaným ventilačním systémem idealizována jako 127 zón a 884 cest proudění. Navíc v případě hybridních ventilačních systémů řízených dle potřeby na základě vlhkosti bere model v úvahu regulační prvky (v analyzovaném případě vlhkost ovlivňuje charakteristiky větracích otvorů, odsávacích mřížek a odsávacích ventilátorů).
Obrázek 3. Intenzita větrání pro celou budovu během topné sezóny pro hybridní ventilaci řízenou dle potřeby na základě vlhkosti
Obrázek 3 znázorňuje intenzitu větrání pro celou budovu během topné sezóny v případě hybridní ventilace řízené dle potřeby na základě vlhkosti. Průměrné množství vzduchu je ~40 % maximální hodnoty, což se přibližně rovná požadované intenzitě větrání. Toto značí, že analyzovaný systém je schopen dle potřeby poskytnout požadovanou intenzitu větrání.
Některé ventilační systémy (např. pasivní ventilace) pracují s obrovskými rozdíly v intenzitách větrání nejen v průběhu času, ale i mezi podobnými byty umístěnými na různých podlažích. Z tohoto důvodu dříve, než bude dáno doporučení, bude provedena detailní analýza průtoků vzduchu. Tabulka 1 ukazuje srovnání intenzit vzduchového větrání pro malé studio M2 (66,5 m2) pro 8. patro a přízemí. Simulace ukázala, že DCV hybridní systém na základě vlhkosti pracuje s podstatnými rozdíly v intenzitě větrání v průběhu času, ale bez podstatných rozdílů mezi patry.
Srovnání využití primární energie pro referenční bytový dům vybavený třemi různými systémy ventilace (dva referenční a jeden hodnocený) prokázalo, že použití hybridního systému DCV řízeného dle potřeby na základě vlhkosti vede k významným úsporám energie. Referenční spotřeba energie pro porovnání je průměr získaný pro dva referenční ventilační systémy 119 785 kWh/rok (73,29 kWh/(m2rok)). Využití primární energie referenční budovy s analyzovaným ventilačním systémem je 79 712 kWh/rok (48,78 kWh/(m2rok)). Toto ukazuje úspory ~33 %. Pokud bereme v úvahu pouze energii pro větrání, úspory jsou mnohem vyšší a dosahují ~55 %.
| Intenzita větrání [m3/h] | Hybridní ventilace na základě vlhkosti | M2 8. patro Mechanická ventilace (ref) | Pasivní potrubní ventilace (ref) | Hybridní ventilace na základě vlhkosti | M2 přízemí Mechanická ventilace (ref) | Pasivní potrubní ventilace (ref) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Průměr | 36 | 68 | 88 | 37 | 75 | 167 |
| Min | 21 | 65 | 28 | 22 | 68 | 41 |
| Max | 90 | 78 | 289 | 90 | 86 | 270 |
| Stnd. odch. | 14.7 | 1.6 | 36.1 | 14.9 | 2.7 | 30.3 |
Jako výsledek prezentované analýzy získal systém energetickou třídu A2 (Obrázek 4).
Obrázek 4. Referenční úrovně využití primární energie a referenční průtoky vzduchu s doporučeným směrem modernizace
Závěry
Popsaná metoda určení energetické účinnosti ventilačních systémů pro obytné budovy se vyznačuje jednoduchostí výpočtu, přičemž bere v úvahu
- Dodatečnou spotřebu elektrické energie pro ventilátory a čerpadla,
- Změny proudění vzduchu v důsledku kolísání teploty a rychlosti větru,
- Změny proudění vzduchu mající původ v regulaci ventilačních prvků,
- Snížení spotřeby tepla díky rekuperaci (využití odpadního tepla), (včetně nezbytného snížení účinnosti rekuperace tepla v případě vytvoření námrazy ve výměníku tepla nebo během přechodných období),
- Úroveň kvality vzduchu v interiéru vytvořenou hodnocenými ventilačními systémy.
JERZY SOWA
Fakulta ekologického inženýrství Varšavské technické univerzity, Polsko
jerzy.sowa@is.pw.edu.pl
MACIEJ MIJAKOWSKI
Fakulta ekologického inženýrství Varšavské technické univerzity, Polsko
ALEKSANDER PANEK
Národní agentura
pro úspory energie, Polsko
Reference
- [1] G. N. Walton, S. W. Dols, CONTAM – User Guide and Program Documentation, NISTIR 7251.
- [2] ISO-FDIS 13790:2007 Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling.
- [3] P. Narowski, M. Mijakowski, A. D. Panek, J. Rucinska and J. Sowa, Integrated 6R1C Energy Simulation Method – Principles, Verification And Application, Proceedings of the 10th REHVA World Congress “Sustainable Energy Use in Buildings” CLIMA 2010, May 9–12 2010, Antalya, Turkey .
- [4] J. Sowa a M. Mijakowski, Whole Year Simulation of Humidity Based Demand Controlled Hybrid Ventilation in Multiapartment Building, In Proceedings of Joint Conference 32nd AIVC Conference and 1st Tight Vent Conference, Brussels, 12–13 October 2011.
Tento článek je založen na dokumentu publikovaném při jednáních konference Clima 2013:
Karel Kabele, Miroslav Urban, Karel Suchý, Miloš Lain (Eds.) CLIMA 2013 – 11. REHVA světový kongres a 8. Mezinárodní konference o kvalitě vzduchu ve vnitřním prostředí, ventilaci a úsporách energie v budovách, 16.–19. 6. 2013 Pražské kongresové centrum, 5. května 65, 140 21 Praha 4, Česká republika, Stránky: 6882, ISBN 978-80-260-4001-9.
Comparison of primary energy use for reference apartment building equipped with three different ventilation systems (two reference and one evaluated) showed that the use of a hybrid system DCV controlled - if needed - due to moisture leads to significant energy savings.