Hodnocení mikroklimatu kinosálu monitorováním a simulací

1. Úvod

Stav IM se formuje v procesu nestacionárních tepelných a látkových výměn a je výslednicí řady dynamických okrajových podmínek. Aktuální trend provozu budov sleduje optimalizaci stavu IM při minimalizaci provozních nákladů a ekologických dopadů. Jedním z efektivních prostředků sledující minimalizaci je monitorování aktuálního stavu IM již realizovaných objektů s cílem:

• identifikace aktuálního stavu IM,
• specifikace podstatných veličin formujících stav IM a potřeb energie,
• verifikace simulačního řešení, jakožto progresivního prostředku projektování VZT.

2. Charakteristika a popis objektu

Kinosály tvoří skupinu objektů s členitým architektonickým řešením a provozem s kolísáním počtu návštěvníků. IM kinosálů je specifické prostředí, na které jsou kladeny požadavky vyplývající z vyhlášek a ekonomických požadavků provozovatelů. Pro často protichůdné faktory se musí navrhnout takový systém VZT, který vytvoří optimální podmínky pro pobyt návštěvníků. Aktuální stav kinosálu je dán rozložením agencií v prostoru a čase, distribucí vzduchu a provozem systému VZT. Volba systému distribuce vzduchu a její návrh je nesnadný technický problém, jenž zásadně ovlivňuje architektonické řešení kinosálu. Zatímco tradiční řešení distribuce vychází z idealizovaného řešení a ze zkušenosti, aktuálním prostředkem se stává simulace.

Monitorovaný kinosál má obdélníkový půdorys, stupňovité hlediště s 12 řadami a 123 sedadly. V přední části kinosálu je promítací plátno, v zadní části projektorové okno. Projektor je umístěn v oddělené místnosti. Vchod do sálu je řešen z prostoru pod hledištěm. Ke tvorbě IM slouží VZT ovládaná manuálně obsluhou projekce. Přívod vzduchu je řešen pomocí nastavitelných anemostatů situovaných u stropu. Odvod vzduchu je řešen mřížkami umístěnými pod sedadly ve vyšších řadách sedadel sálu, blíže obr. 1.

3. Hodnoceni IM kinosálu

Prostředky pro hodnocení IM kinosálu tvoří monitorování a simulace. Monitorování lze aplikovat jen na realizovaných objektech, zatímco simulace umožní virtuální prognózu možných stavů IM v závislosti na okrajových podmínkách, variantních technických řešeních VZT a zejména na systému distribuce vzduchu.

3.1 Monitorování

Monitorování IM představuje spojité experimentální měření typických veličin ve zvoleném časovém kroku v ročním období. Vzhledem k omezené kapacitě možnosti využití měřicích přístrojů nebylo možné postihnout měřením celý prostor kinosálu v dlouhém časovém období. Z uvedených důvodů se sledují jen vybrané veličiny IM v konkrétních bodech vypovídajících o charakteru prostředí a jeho dopadu na návštěvníky představení.

a. Podstatné fáze monitorování:

• mapování prostoru s výběrem optimálních a reálných míst stanovišť měření,
• instalace inteligentního měřicího systému,
• kontinuální měření stavu prostředí při reálných provozních podmínkách se záznamem údajů ve zvoleném časovém kroku a ročním období,
• zpracování snímaných údajů,
• analýza monitoringu s hodnocení výstupů,
• komparace monitoringu se simulačním řešením.

b. Místo měření, měřící systém a časové údaje

Měření proběhlo ve zrekonstruovaném kinosálu. Měřicí stanoviště v kinosálu jsou patrná na obr. 2.

Měřicí systém představuje sestava elementů tvořících jako celek inteligentní jednotku. Primárním prvkem je měřicí ústředna (datalodger) pro snímání fyzikálních veličin. K ní je připojena skupina čidel. Schéma sestavy a umístění je na obr. 3. Přístroje byly instalovány před příchodem návštěvníků a záznam dat probíhal do opuštění kinosálu návštěvníky.

Měření proběhlo během 4 samostatných promítacích cyklů, dvakrát v zimním období a dvakrát v letním období v průběhu promítání převážně pro dětské publikum postupně ve dvou po sobě následujících dnech. Sledované veličiny byly snímány a zaznamenávány v intervalu 30 sekund, což je dostatečné pro určení korektních středních hodnot snímaných veličin. Uvedená skutečnost umožní za předpokladu relativně ustálených podmínek uvažovat zjednodušeně stav zkoumaného prostoru jako kvazistacionární. Teplota přívodního vzduchu nemohla být snímána průběžně a byla měřena v intervalu 15 minut a její průběh byl následně aproximován. Bližší údaje jsou v tab. 1.

c. Sledované veličiny

• teplota vzduchu,
• teplota kulového teploměru (následně přepočtena na operativní teplotu)
• rychlost proudění vzduchu,
• koncentrace CO₂.

3.1.1 Výsledky monitorování

Výstupy snímaných veličin tvoří obsáhlá databáze numerických údajů. K analýze a hodnocení IM v reálném čase je nezbytnou formou výstupu grafická interpretace. Grafické průběhy sledovaných a vypočtených veličin dokumentují obr. 4 až 11. Základní vstupní údaje uvádí tab. 1.

Obrázky č. 4 až 11 znázorňují průběh snímané teploty vzduchu, koncentrace CO₂, relativní vlhkosti, rychlosti proudění vzduchu, vypočítanou operativní teplotu a teplotu přívodního vzduchu aproximovanou z měřených hodnot v intervalu 15 minut.

Výpočet operativní teploty:

Při rychlostech proudění vzduchu menších než 0,2 m/s lze nahradit operativní teplotu výslednou teplotou kulového teploměru t_g (°C). Pro vyšší rychlosti proudění lze využít vztah [5]:

kde:

t_o

operativní teplota [°C],

t_a

teplota vzduchu [°C],

t_g

výsledná teplota kulového teploměru [°C],

K

váhový koeficient [–].

Tab. 1 Základní vstupní údaje monitorování

Číslo měření	Poloha měřícího stanoviště	Datum a čas	Okrajové podmínky exteriéru			Obsazenost sálu
			Teplota vzduchu [°C]	Relativní vlhkost vzduchu [%]	Koncentrace CO2 [ppm]	Děti 6–14 let [%]	Dospělí [%]
1	v zadní části sálu	21. 12. 2011 8:30 až 10:30	1	65	460	95	5
2	uprostřed sálu	22. 12. 2011 10:00 až 12:00	−1	74	460	85	5
3	v zadní části sálu	28. 6. 2012 10:15 až 12:30	24	52	420	95	5
4	uprostřed sálu	2. 8. 2012 17:40 až 19:30	26	50	44	0	100

Tab. 2 Přehled středních hodnot určených z jednotlivých měření

Měření č.	1 zimní období	2 zimní období	3 letní období	4 letní období
Interval ustálení	8:45–9:45	10:30–11:00	11:00–12:00	18:15–19:00
Střední hodnota teploty vzduchu [°C]	23,3	23,05	26,5	23,2
Střední hodnota operativní teploty ve výšce 15 cm [°C]	22,6	22,10	26,15	23,4
Střední hodnota operativní teploty ve výšce 100 cm [°C]	23,1	23,0	25,10	22,7
Střední hodnota relativní vlhkosti [%]	29,5	38,9	54,1	59,1
Střední hodnota rychlosti proudění vzduchu [m/s]	0,03	0,06	0,02	0,05
Střední hodnota koncentrace CO2 [ppm]	1060	1082	818	560

3.1.2 Hodnocení výsledků monitorování

Všechna měření proběhla na dvou stanovištích kinosálu, z toho dvě v zimním období a dvě v letním období. Provozní podmínky letních a zimních měření byly srovnatelné. Monitorování probíhalo vždy při plném nebo ve skoro obsazeném sálu. Z jednotlivých obrázků lze vyčíst podstatné informace o stavu veličin IM během provozu kinosálů.

a. Koncentrace CO₂

Koncentrace plynu v podstatě kopíruje obsazenost sálu a odvíjí se od provozu VZT (viz obr. č. 1, 3, 5). Před naplněním sálu se hodnota koncentrace pohybuje kolem 500 ppm. Po naplnění sálu se její hodnota prudce zvýší k hodnotám 1100 ppm (zimní období) na kterých zůstává po většinu představení. Před koncem představení obsluha většinou vypíná VZT, což se odráží v nárůstu hodnot koncentrace. Zajímavý je také rozdíl v úrovni kolem ustálené hodnoty v letním a zimním období, kdy je v zimním období tato hodnota kolem koncentrace 1100 ppm a v letním 800 resp. 550 ppm (viz obr. č. 1, 5). Uvedená skutečnost je způsobeno rozdílným poměrem cirkulačního vzduchu v letním a zimním období.

b. Teploty

Z průběhu teploty vzduchu a operativních teplot je patrné ve všech případech krátce po začátku projekce ustálení teplot na vyhláškou dané či požadované hodnotě. Mírně nižší teplota u kotníků je způsobena klesáním chladnějšího vzduchu k odvodním prvkům u podlahy viz obr. č. 1, 3, 5, 7. Teplota přívodního vzduchu pak odpovídá požadavkům na chlazení, případně na dotápění kinosálu především v první fázi projekce. Z průběhu teplot lze vyčíst náběh chlazení (vytápění) a na konci projekce je evidentní vypnutí nebo utlumení VZT (viz obr. č. 1, 7.).

c. Rychlosti proudění

Rychlosti vzduchu jsou ve všech případech po většinu představení pod hodnotou 0,15 m/s, což vypovídá o přijatelném dopadu proudění na komfort diváků. Občasné výkyvy jsou způsobeny pohybem diváků v sále (dětské publikum) viz obr. č. 2, 4, 6, 8.

d. Relativní vlhkost vzduchu

Vlhkost vykazuje nárůst na začátku projekce, kdy dochází k většímu pohybu osob a v zimním období k přenosu vlhkosti na oděvu a obuvi do sálu z exteriéru. Následně dochází k ustálení vlhkosti v rozsahu 5 % viz obr. č. 2, 4, 6, 8.

3.1.3 Závěr

Monitorování je jedna z metod identifikace IM. Její předností jsou korektní výsledky aktuálního stavu IM. Nevýhoda spočívá v časové náročnosti a nezbytné kvalitní přístrojové technice, ve volbě reprezentativní míst a doby měření. Z realizovaného monitorování vyplynulo:

• Identifikaci IM v podstatném prostoru kinosálu volbou odlišných míst měření, jež prokázalo přibližně shodné podmínky uprostřed kinosálu a v zadní části kinosálu.
• Regulace provozu VZT se jeví jako naprosto určující pro aktuální stav IM kinosálu. Rozdílná data naměřená v průběhu monitorování jsou způsobená regulací provozu vzduchotechniky během představení.
• Velké průtoky cirkulačního a čerstvého vzduchu umožní rychlou korekci eventuálního diskomfortu IM.
• Projevily se evidentně snahy o šetření energiemi, vyskytující se většinou ke konci představení, kdy po vypnutí VZT došlo k nárůstu koncentrace CO₂ i teplot viz obr. 1, 3, 5, 7.
• Při provozu VZT bylo tepelně vlhkostí i odérové mikroklima v kinosálu vyhovující.

Závěrem je nutno konstatovat, že monitorování je časově náročné, vyžaduje inteligentní přístrojovou techniku, adekvátní zpracování a formy výsledků. Výhodou monitorování je, že vypovídá objektivně o reálnem stavu IM. Nevýhodou je skutečnost, že monitorování lze aplikovat jen na realizovaných objektech. S rozvojem výpočetní techniky se proto jeví jako efektivní nástroj hodnocení IM a návrhu VZT simulace.

3.2 Hodnocení IM simulací

Vývoj výpočetní techniky umožnil aplikovat algoritmy pro řešení dynamických dějů a nastartoval tak počítačové modelování tedy simulaci. Simulace v oboru VZT umožňuje prognózu stavu IM pro varianty okrajových podmínek, variantní systémy VZT a distribuce vzduchu i provoz budovy a VZT. Dominantní složkou IM a oboru VZT je proudění vzduchu v omezeném prostoru formující rozložení teplot a koncentrací plynných frakcí. Základním představitelem simulací umožňujícím postihnout proudění tekutin je metoda CFD. Aplikace simulace má své kladné avšak i záporné stránky.

Kladné aspekty představující výhody CFD:

• tvoří efektivní prostředek pro originální a atypické architektonické řešení budov a prostory s vyššími nároky na IM, jež požadují investoři či provozovatele,
• umožňují získáni korektních podkladů pro návrh prvků i systémů distribuce vzduchu,
• řeší problematiku, kterou lze jen obtížně řešit analyticky, softwary výrobců či návrhovými diagramy koncových prvků VZT,
• umožní optimalizovat IM návrhem takové distribuce, jež vyloučí diskomfortní stavy IM,
• představují efektivní nástroj při optimalizaci návrhu systému vzduchotechniky, chlazení a vytápění umožňující minimalizaci potřeb energií,
• nahrazují fyzické modely a v některých případech jsou názornější a dokážou postihnout i méně přístupná místa modelu.

Záporné faktory CFD tvořící nevýhody:

• vysoká cena softwaru i počítačového vybavení, které musí být vzhledem k náročnosti úloh na nadstandardní úrovni projekční praxe,
• úspěšná aplikace vyžaduje znalost nástrojů matematické fyziky k řešení dynamických dějů,
• vyšší cenová náročnost řešených úloh.

Závěrem je nutno objektivně konstatovat, že investice do doplňku projektu v podobě simulačního řešení je levnější varianta, než provoz předimenzovaného klasickými postupy navrženého systému VZT. Podmínkou korektních výsledků simulačního řešení jsou okrajové podmínky, které musí odpovídat objektivní, zpravidla nestacionární realitě. Nutným faktorem pro podporu simulace v projektování VZT je verifikace simulačních řešení se skutečným stavem IM po realizaci stavebního záměru. Níže jsou uvedeny obrázky dokumentující simulační řešení pro různé varianty distribuce vzduchu v kinosálu. Oproti monitorování v izolovaných místech je patrné spojité rozložení veličin IM v celém objemu prostoru. Příklady využití simulačních CFD řešení uvádí [1], [2], [3], [4].

4. Závěr

Článek se zabývá hodnocením IM klimatizovaného kinosálu s cílem diagnostikovat jeho aktuální stav pro reálné okrajové podmínky a stávající systém distribuce vzduchu. K hodnocení byly použity metody monitorování a simulace. Monitorování proběhlo formou experimentálního měření vybraných veličin mikroklimatu během několika projekcí v kinosálu ve dvou ročních obdobích. Výsledky jsou zpracovány do grafické podoby. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že během všech provedených měření bylo IM vyhovující.

Zásadní poznatky monitorování:

• zcela dominantní vliv provozu VZT na IM kinosálu,
• konkrétní prezentace dopadu vypnuté VZT před koncem představení na tepelně vlhkostní mikroklima kinosálu,
• výsledky tvoří ideální podklad provozovateli kinosálu pro regulaci provozu VZT,
• aplikace monitorování je možná jen pro realizované objekty,
• monitorování je časově náročná činnost probíhající v reálných podmínkách.

Charakteristika simulačního řešení:

• proudění a rozložení veličin IM včetně koncentrací v celém objemu kinosálu,
• široké možnosti řešení virtuálních stavů IM na pracovišti projektanta,
• efektivní a perspektivní nástroj projektanta pro řešení VZT,
• metoda CFD je optimální pro řešení zásadního problému VZT, kterým je proudění vzduchu,
• simulace umožňuje prognózu stavu IM pro variantní systémy distribuce vzduchu, optimalizaci průtoků a teploty přívodního vzduchu,
• efektivní aplikace simulace a korektní výsledky vyžadují problematikou znalé pracovníky a nadstandardní výpočetní techniku.

Použitá literatura

• [1] TOTH, Luděk, SCHWARZER, Jan. Model vířivého anemostatu. VVI, 2014, č. 4, str. 170–175, ISSN 1210 – 1389, Společnost pro techniku prostředí, Praha, 2014
• [2] DRDA, M.; ŠIKULA, O. Využití CFD modelování pro návrh přetlakového větrání chráněných únikových cest. Topenářství, 2011, roč. 2011, č. 7, s. 50–54. ISSN: 1211 – 0906.
• [3] DĚCKULÁČEK, Z.; ŠIKULA, O.; ZUBÍČEK, V. Experimentální ověření CFD modelu vířivé výusti. TZB-info, 2009, roč. 2009, č. 6. 7. 2009, s. 1–4. ISSN: 1801 – 4399.
• [4] ŠIKULA, O. Počítačové simulace a jejich aplikace pro tvorbu prostředí bytových domů. Stavebnictví, 2008, roč. 08, č. 11–12, s. 56–59. ISSN: 1802 – 2030.
• [5] KABELE, Karel, VEVERKOVA, Zuzana. Modelování operativní teploty. VVI, 2003, č. 1, ISSN 1210 – 1389, Společnost pro techniku prostředí, Praha, 2003