POTŘEBA TEPLA NA VĚTRÁNÍ PASIVNÍHO DOMU

Transkript

1 Simulace budov a techniky prostředí konference IBPSA-CZ Praha, 6. a POTŘEBA TEPLA NA VĚTRÁNÍ PASIVNÍHO DOMU Jiří Procházka 1,2, Vladimír Zmrhal 2, Viktor Zbořil 3 1 Sokra s.r.o. 2 ČVUT v Praze Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí 3 BAHAL ČR a.s. jiri@sokra.cz ABSTRAKT Pasivní domy se hodnotí podle celkové potřeby tepla na vytápění, která zahrnuje i energii pro ohřev větracího vzduchu. Na energetickém modelu konkrétního rodinného domu byl zkoumán podíl potřeby energie na větrání. Model byl podroben simulačnímu výpočtu pro variantní řešení z hlediska uvažovaných vnitřních tepelných zisků, intenzity větrání a teplotního faktoru zpětného získávání tepla. Z výsledků je zřejmý podíl potřeby tepla na ohřev větracího vzduchu na celkové potřebě tepla na vytápění pro zkoumaná variantní řešení. Klíčová slova: pasivní dům, větrání, potřeba energie VENTILATION HEATING DEMAND OF PASSIVE HOUSE Passive houses are assessed according the total space heating energy demand, which includes energy for heating of ventilation air. On the family house example is realized energy model, which was investigated for portion of ventilation heating demand. Model was subjected simulation calculation for variant solutions in terms of the considered internal heat gains, ventilation rates and heat recovery ratio. The results show how big is portion of ventilation heating demand to the total space heating energy demand for subjected variant solutions. Keywords: passive house, ventilation, energy demand ÚVOD Běžné analýzy výpočtu potřeby tepla na větrání [3] neuvažují s tepelnými zisky a respektují tak spíše běžnou bytovou výstavbu. Odlišná je situace u pasivních budov, kdy se na celkové tepelné bilanci podílí tepelné zisky významnou měrou. Jedná se jednak o vnitřní tepelné zisky způsobené přítomností člověka a jeho činností (vaření, osvětlení, atd.) a dále o tepelné zisky z venkovního prostředí způsobené převážně dopadajícím slunečním zářením. Výsledný tepelný tok se skládá ze třech základních složek: 1) tepelná ztráta prostupem, 2) tepelná ztráta větráním, 3) tepelné zisky (vnitřní a vnější). Je zřejmé, že přesný výpočet potřeby tepla na vytápění, s uvažováním tepelných zisků není jednoduchou záležitostí. Z tohoto důvodu se často používají zjednodušené výpočty [6] resp. [8]. Pro podrobné analýzy lze využít energetické simulační výpočty, které poskytují předpověď tepelných zátěží, tepelných ztrát, parametrů vnitřního prostředí (včetně teploty povrchů stěn) a potřeby energie pro jednotlivé zóny při zadaném průběhu venkovních klimatických podmínek (typická referenční nebo extrémní klimatická data), obvykle s hodinovým časovým krokem. ZKOUMANÝ OBJEKT Jedná se o pasivní dům umístěný v Praze, jehož tepelná ztráta prostupem činí 2,33 kw, celková zastavěná plocha budovy je 86,3 m 2, celková plocha výplní otvorů činí,4 m 2. Obr. 1 Pohledy na zkoumaný rodinný dům západní a jižní pohled (autor návrhu: Ing. arch. Jan Červený) Konstrukce domu je realizována jako těžká, obvodové zdivo je tvořeno z vápenopískovcových cihel tl. 17 mm s tepelnou izolací EPS tl. 3 mm. Z tepelně akumulačního hlediska se jedná o stěnu těžkou s plošnou hmotností 7, kg/m 2. Podlaha přilehlá k zemině je standardně železobetonová s tepelnou izolací EPS tl. 2 mm. Konstrukce střechy je dřevěná, mezi krokvemi je tepelná izolace z minerální vlny tl. 44 mm. Součinitele prostupu tepla pro jednotlivé konstrukce domu stanovené dle ČSN EN ISO 6946 jsou uvedeny v tab. 1. Průměrný součinitel prostupu tepla U em rodinného domu je,183 W/m 2.K, což splňuje požadavek normy [7].

2 Podle konkrétních podmínek se pro energeticky pasivní domy doporučuje, aby U em,,18 W/m 2.K [8]. Tab. 1 Součinitel prostupu tepla obvodových konstrukcí domu Konstrukce U [W/m 2 K] Požadavek ČSN (TNI ) Vnější stěna,14,12,18 Podlaha,147,,22 Střecha 94,1, Výplně otvorů,798,6,8 Průměr,183,22 MODEL DOMU Na obr. 1 je model pasivního rodinného domu v energetickém simulačním programu ESP-r [1]. Geometrické parametry domu a modelu jsou uvedeny v tab. 2. V simulačním výpočtu nebylo uvažováno se stíněním okolní zástavbou nebo krajinou. Tab. 2 Geometrické parametry RD a modelu Podlahová plocha [m 2 ] Objem [m 3 ] Obytné místnosti 83, 217,1 Vnitřní rozměry RD 137, 342,9 Vnější rozměry RD - model 172,6 * * vztažná plocha pro výpočet potřeby energie v kwh/m 2 za rok Zasklení a stínění Výplně otvorů jsou tvořeny kvalitním trojitým zasklením, jehož optické vlastnosti jsou uvedeny na obr. 3 nahoře. Okna jsou v modelu, vzhledem k charakteru programu ESP-r, zadána jako bezrámová. Stínicí prvky jsou navrženy jednak ostěním oken (viz obr. 2) a horizontálním stínicím prvkem nad okny 1.np jižní fasády. Na jižní, západní a východní fasádě jsou navrženy vnější žaluzie (viz obr. 3 dole). I když jsou venkovní žaluzie navrženy především pro letní užívání domu, do modelu byla zadána aktivace žaluzií při dosažení teploty ve vnitřním prostoru 24 C. Optické vlastnosti zasklení (-) Optické vlastnosti zasklení (-),8,7,6,,4,3,2,1,8,7,6,,4,3,2, low_e(2,) + Krypton low_e(2,) + Krypton + ext. blind T A Td R T A Td R Úhel mezi normálou okna a slunečními paprsky θ ( ) Obr. 3 Optické vlastnosti zasklení a) izolační trojsklo bez žaluzií, b) s vnějšími žaluziemi Tepelné zisky Simulační výpočet byl realizován pro různé varianty zadání tepelných zisků (tab. 4). Základní variantou v1 je provoz bez tepelných zisků, varianta v2 neobsahuje vnitřní zisky, ale již zohledňuje tepelné zisky od oslunění stejně jako v3 a v4. Ve variantě v3 je uvažováno s vnitřními tepelnými zisky podle TNI [8] tj. 4x1x,7+1 W = 38 W, což je hodnota poměrně vysoká. Obr. 2 Model domu v prostředí ESP-r vč. zastínění Klimatická data Pro účely vyhodnocení potřeby tepla byl použit referenční klimatický rok zpracovaný pro Prahu (TRY test reference year). Referenční klimatický rok prezentuje reálná charakteristická klimatická data pro výpočet energetické potřeby budov. Vnitřní tepelné zisky [W] 6 Sojková (21) TNI Čas [hod] Obr. 4 Zadání vnitřních tepelných zisků

3 Varianta v4 pak představuje pravděpodobný reálný provoz domu podle [2]. Průměrná denní hodnota vnitřních tepelných zisků u varianty v4 je 24 W. Průběhy vnitřních tepelných zisků pro varianty v3 a v4 jsou znázorněny na obr. 4. VĚTRÁNÍ Větrání objektu bylo navrženo variantně v souladu s normovými hodnotami [3]. Větrání obytných místností bylo uvažováno s minimální (,3), doporučenou (,) a zvýšenou (,7) intenzitou větrání podle [4]. Pro zadání a vyhodnocení byly tyto intenzity přepočítány ve vztahu k celkovému objemu modelu resp. vnitřnímu objemu RD (tab. 3). Tab. 3 Větrání RD Intenzita větrání I [h -1 ] vztažená k:,3,,7 obytným místnostem,22,39,2 vnitřnímu objemu RD,1,267,6 objemu modelu Celkový průtok vzduchu V [m 3 /h] 76, 1 18 odpovídá intenzitě větrání vztažené k obytným místnostem podle ČSN 66/Z1 Tab. 4 Seznam zkoumaných variant vxp _ I _ TF TF - teplotní faktor ZZT: ; 7; 8; 9 % I - intenzita větrání obytných místností:,3;,;,7 h -1 P - provozní režim: a bez větrání / bez žaluzií b bez větrání / s žaluziemi c s větráním / s žaluziemi X - číslo varianty / tepelné zisky vnitřní vnější 1 NE NE 2 NE ANO 3 ANO [8] ANO 4 ANO [2] ANO Do simulačního modelu se zadává infiltrace venkovního vzduchu. Při použití zpětného získávání tepla (dále jen ZZT) byl průtok venkovního vzduchu infiltrací přepočítán následovně (pro ρ = konst.) ( ) V& e,inf = V& e, vet 1 Φ (1) Teplotní faktor Φ = % odpovídá situaci, kdy větrací systém není vybaven ZZT, např. nucené podtlakové větrání. Hodnoty teplotního faktoru ZZT představují celoroční průměrnou hodnotu. VÝSLEDKY Potřeba tepla na vytápění Základní zkoumanou variantou je stanovení potřeby tepla na vytápění bez zahrnutí větrání, jedná se tedy o potřebu tepla související s úhradou tepelné ztráty postupem. Na obr. jsou znázorněny výsledky simulačních výpočtů pro varianty bez venkovních žaluzií (vxa) a s použitím žaluzií (vxb). Jak již bylo popsáno, venkovní žaluzie se spustí při dosažení teploty ve vnitřním prostoru 24 C. Z výsledků na obr. je zřejmé, že rozdíly mezi oběma variantami jsou téměř zanedbatelné, použití venkovních žaluzií potřebu tepla obecně zvyšuje, neboť omezuje tepelné zisky od oslunění. Poměrně nízké hodnoty potřeby tepla obdržené energetickým simulačním výpočtem budou podrobeny pozdější diskuzi. Na obr. jsou pro ilustraci znázorněny výsledky měsíčního bilančního výpočtu podle [6] s použitím vstupních dat dle [8] a [9]. Rozdílnost ve výsledcích je dána odlišnými metodikami výpočtů (viz diskuse) a jejich porovnání není účelem tohoto příspěvku. Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/m 2.rok] Varianta 1 Varianta 2 Varianta 3 Varianta 4 Zkoumaná varianta ESP-r: vxa ESP-r: vxb TNI Energetická náročnost TNI Pasivní budovy Obr. Měrná potřeba tepla na vytápění bez větrání (porovnání variant vxa a vxb) Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/m 2.rok] ,3,,7 Intenzita větrání obytných místností [1/h] v1c_i_7 v1c_i_8 v1c_i_9 v2c_i_7 v2c_i_8 v2c_i_9 v3c_i_7 v3c_i_8 v3c_i_9 v4c_i_7 v4c_i_8 v4c_i_9 Obr. 6 Měrná potřeba tepla na vytápění vč. větrání (porovnání variant v1c až v4c) Na obr. 6 jsou uvedeny měrné potřeby tepla na vytápění vč. větrání pro varianty v1c až v4c. Je opět zřejmé, že výsledek zásadně ovlivňují tepelné zisky od oslunění. Pokles mezi variantou v1c a v2c je v průměru cca 6 %. V modelu je sice navrženo poměrně kvalitní zasklení, nicméně vlivem uvažování tepelných zisků (v2c) se zkracuje období,

4 kdy je potřeba vytápět. Ohřátí vzduchu v přívodním ventilátoru nebylo při analýzách uvažováno. Potřeba tepla na ohřev venkovního vzduchu Potřeba tepla na větrání byla stanovena odečtem výsledných potřeb tepla na vytápění mezi variantami vxc vxb (varianta s větráním - varianta bez větrání) To znamená, že tepelné zisky jsou primárně využity pro úhradu tepelné ztráty prostupem. Obecně takový přístup není zcela korektní, neboť z energetického hlediska poněkud znevýhodňuje větrání. Ve skutečnosti se budou tepelné zisky podílet na částečné úhradě celkové tepelné ztráty, tedy jak prostupem, tak větráním. Při běžných výpočtech je však obtížné tyto toky od sebe oddělit. Navržený přístup tak představuje určitý zjednodušený předpoklad s tím, že simulační výpočet dobře vystihuje realitu tepelných toků. Na obr. 7 jsou uvedeny měrné potřeby tepla na ohřev venkovního vzduchu. Varianty kdy teplotní faktor (účinnost) ZZT Φ = jsou uvedeny pouze pro úplnost a nejsou předmětem hodnocení, neboť požadavkem výstavby pasivních budov je použití ZZT s teplotním faktorem Φ 7 %. Měrná potřeba tepla na větrání [kwh/m 2.rok] ,2 v3c_i_ v3c_i_7 v3c_i_8 v3c_i_9 v4c_i_ v4c_i_7 v4c_i_8 v4c_i_9 2,7 1,8,9 1,97 3,1 2,1 1, 18,9,1 3,3 1,6 19,84,3,,7 Intenzita větrání obytných místností [1/h] Obr. 7 Měrná potřeba tepla na ohřev venkovního vzduchu (porovnání variant v3c a v4c) Podíl větrání na celkové potřebě tepla V tab. je uveden podíl potřeby tepla na ohřev venkovního vzduchu na celkové potřebě na vytápění pro variantu pro zadaný RD s reálným průběhem tepelné zátěže v4c. Projektanti nebo stavitelé pasivních rodinných domů se většinou snaží větrání minimalizovat a při návrhu používají minimální doporučené průtoky vzduchu (I =,3 h -1 ). Pro takový případ bude potřeba tepla na ohřev venkovního vzduchu ve zkoumaném objektu činit do % z celkové potřeby tepla v závislosti celoročním teplotním faktoru ZZT. Na tomto místě je nutno zmínit, že výsledky nelze zcela zobecnit. Je jisté, že čím bude mít RD nižší tepelnou ztrátu prostupem, tím bude podíl potřeby tepla na ohřev venkovního vzduchu výraznější. Na druhou stranu se na úhradě tepelné ztráty větráním budou podílet výrazněji tepelné zisky.,6 3,7 1,8,8 6,9 4, 2,1 26,91 7,6, 2,4 Tab. Podíl větrání na celkové potřebě tepla na vytápění pro variantu v4c Intenzita Teplotní faktor ZZT větrání [h -1 ] 7 8 9,3 1 % 23 % 17 % 9 %, 66 % % 26 % %,7 72 % 42 % 32 % 19 % Pro všechny dosud uvedené varianty výpočtu potřeby energie [kwh/m 2 za rok] byla vztažná plocha stanovená z vnějších rozměrů objektu tak, jak je tomu zvykem při energetickém hodnocení budov. Vliv tepelných zisků Na obr. 8 je uvedena závislost potřeby tepla na ohřev venkovního vzduchu v závislosti na teplotním faktoru ZZT pro všechny zkoumané varianty v1 až v4. Výsledky jsou v tomto případě již vztaženy k vnitřnímu objemu resp. k celkové vnitřní ploše objektu (137, m 2 ) obdobně jako v literatuře [3]. Potřeba tepla pro ohřev venkovního vzduchu [kwh/(m 2.rok)] v1c_,3 v2c_,3 v3c_,3 v4c_,3 v2c_, v3c_, v4c_, v1c_,7 v2c_,7 v3c_,7 v4c_, Teplotní faktor ZZT [%] Obr. 8 Potřeba tepla pro ohřev venkovního vzduchu v závislosti na teplotním faktoru ZZT a intenzitě větrání vztažené k celkovému vnitřnímu objemu RD Na obr. 9 je znázorněno porovnání potřeby tepla pro ohřev venkovního vzduchu při trvalém větrání a teplotním faktoru ZZT Φ = 8 % při uvažování a zanedbání tepelných zisků pro všechny varianty. Polopřímky v grafu na obr. 9 označené TRY a TNI, odpovídají potřebě tepla na větrání stanovené početně z hodinových výkonů na základě zadaného průtoku a teploty přiváděného vzduchu podle [3] bez uvažování tepelných zisků (společně se simulační variantou v1c znázorněny černě). Rozdíly mezi výsledky bez uvažování tepelných zisků jsou dány odlišnými vstupními údaji (viz obr. 1) a rovněž principem výpočtu při energetické simulaci (rozdíl mezi TRY a v1c). Červeně jsou na obr. 9

5 znázorněny varianty, které respektují tepelnou zátěž (v2c, v3c, v4c). Potřeba tepla pro ohřev venkovního vzduchu [kwh/(m 2.rok)] TRY TNI v1c_i_8 v2c_i_8 v3c_i_8 v4c_i_8 Trvalé větrání Φ ZZT = 8 % v4c_,3_tf bez uvažování tepelných zisků s uvažováním tepelných zisků,1,2,3,4, Intenzita větrání vztažena k celk. vnitřnímu objemu RD [h -1 ] Obr. 9 Potřeba tepla pro ohřev venkovního vzduchu v závislosti na intenzitě větrání vztažené k celkovému vnitřnímu objemu RD (Φ = 8 %) při uvažování a zanedbání tepelných zisků Z grafu je možné sledovat pokles potřeby tepla na ohřev vzduchu při uvažování tepelných zisků o až % (v závislosti na typu varianty) oproti výpočtům bez jejich uvažování (TRY). Pro variantu v4c, která se patrně nejvíce blíží realitě je tento pokles cca %. Výsledky se ale vztahují na konkrétní pasivní dům a nelze je zobecnit. Potřeba tepla pro ohřev venkovního vzduchu [kwh/(m 2.rok)] v4c_i_8 v4c_i_9 v4c_i_7 v4c_,3_tf Φ ZZT v4c_,_tf Trvalé větrání s uvažováním tepelných zisků,1,2,3,4,,6,7 Intenzita větrání vztažena k celk. vnitřnímu objemu RD [h -1 ] v4c_,_tf v4c_,7_tf 7 % 8 % 9 % Obr. 1 Potřeba tepla na větrání pro vybrané varianty (v4c) provozu pasivního domu v závislosti na intenzitě větrání a teplotním faktoru ZZT Na obr. 1 jsou výsledky výpočtů potřeby tepla na ohřev venkovního vzduchu pro předpokládaný reálný provoz pasivního domu z hlediska tepelných zisků (v4c) v závislosti na intenzitě větrání a teplotním faktoru ZZT. Intenzita větrání je vztažena k celkovému vnitřnímu objemu RD (viz tab. 3). DISKUSE Hodnoty potřeby tepla na vytápění zjištěné simulačním výpočtem v porovnání s měsíčním bilančním výpočtem vycházejí srovnatelné (obr. 11). Poměrně nízké hodnoty výsledné potřeby tepla na vytápění (< 17 kwh/m 2.rok) pro variantu v4c_i_8 způsobují zejména výrazné tepelné zisky od oslunění. Svou roli zde hraje plocha zasklení i skutečnost, že není uvažováno stínění okolní zástavbou nebo krajinou. Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/m 2.rok] 2 1 Simulační výpočet ESP-r TNI Energetická náročnost TNI Pasivní budovy,3,,7 Intenzita větrání obytných místností [1/h] v4c_i_8 Obr. 11 Potřeba tepla na vytápění v závislosti na intenzitě větrání pro variantu v4c_i_8 dle různých metodik výpočtu Metodika výpočtu energetické náročnosti budov podle [6] (s využitím vstupních dat podle TNI [8] nebo [9]) se od simulačního výpočtu poněkud liší. Metoda používaná pro stanovení energetické náročnosti budov [6] představuje zjednodušený měsíční bilanční výpočet. Naproti tomu simulační program ESP-r počítá s hodinovým krokem, s akumulací tepla do stavební konstrukce, detailněji řeší stínění a optické vlastnosti použitého zasklení apod. U simulačního výpočtu se projeví i zvýšení teploty vnitřního vzduchu v objektu vlivem tepelných zisků, naproti tomu bilanční výpočet počítá s konstantní teplotou vnitřního vzduchu. Porovnání vstupních parametrů je uvedeno na obr. 12. Na obr. 13 jsou pak znázorněny rozdíly vstupních údajů oproti referenčnímu klimatickému roku TRY. Výraznější rozdíly je možné pozorovat zejména u průměrné teploty venkovního vzduchu v únoru. ZÁVĚR Účelem příspěvku bylo stanovit podíl potřeby tepla na větrání z celkové potřeby tepla na vytápění pasivního rodinného domu s použitím simulačního výpočtu. Pro analýzu byl použit konkrétní pasivní dům a výsledky výpočtů tak nelze zcela zobecnit. Výsledky však napovídají, že větrání navržené podle doporučených pravidel [] (intenzita větrání,3 až, h -1 ) tvoří ve výsledné bilanci obdobného pasivního domu položku do % v závislosti na celoročním teplotním faktoru ZZT.

6 Průměrná teplota venkovního vzduchu [ C] Celková energie globálního slunečního záření [kwh/m²] 2 16, 12, 8, 4, TNI TRY TNI , TNI TRY TNI Obr. 12 Porovnání vstupních údajů výpočtu podle TNI [8], [9] a podle klimatické databáze (TRY pro Prahu) Rozdíl v teplotě venkovního vzduchu [K], 2, -2, Rozdíl TNI TRY Rozdíl TNI TRY [6] ČSN EN 1379 Energetická náročnost budov - Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení. ÚNMZ, 29. [7] ČSN 73 4 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky. ÚNMZ, 211. [8] TNI Zjednodušené hodnocení a klasifikace obytných budov s velmi nízkou potřebou tepla na vytápění Rodinné domy, ÚNMZ, 21. [9] TNI Energetická náročnost budov Typické hodnoty pro výpočet, ÚNMZ, 213. [1] The ESP-r System for Building Energy Simulation User Guide Version 1 Series. Glasgow: University of Strathclyde. PŘEHLED OZNAČENÍ I intenzita větrání [h 1 ] U součinitel prostupu tepla [W m 2 K 1 ] V objemový průtok vzduchu [m 3 h 1 ] ρ hustota [kg m 3 ] Φ teplotní faktor ZZT [-] Rozdíl v dopadajícím slunečním záření [kwh/m²] 21, 14, 7, -7, -14, Rozdíl TNI TRY Rozdíl TNI TRY Obr. 13 Rozdíly ve vstupních údajích výpočtu podle TNI [8], [9] oproti klimatické databázi TRY pro Prahu LITERATURA [1] DRKAL, F., ZMRHAL, V. Větrání. Vysokoškolské skriptum. Česká technika - nakladatelství ČVUT v Praze ISBN [2] SOJKOVÁ, K. Potřeba tepla na vytápění a letní tepelná stabilita rozdíly v závislosti na užívání budov. Simulace budov a techniky prostředí. Sborník 6. konference IBPSA-CZ. Praha 21. [3] ZMRHAL, V., DUŠKA, M. Potřeba energie pro větrání obytných budov. Vytápění, větrání, instalace. roč. 21, č. 1, s. 2-6, 212. [4] ČSN EN ISO 6946 Stavební prvky a stavební konstrukce - Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla - Výpočtová metoda. ÚNMZ, 28. [] ČSN EN 66 ZMĚNA Z1 Větrání budov Stanovení výkonových kritérií pro větrací systémy obytných budov. ÚNMZ, 211.