Modelování environmentálních veličin pasivních domů pro podporu návrhu řídicích systémů

/7 Modelování environmentálních veličin pasivních domů pro podporu návrhu řídicích systémů Závěrečná zpráva Praha, 9 Bc. Petr Novák

/7 Poděkování Děkuji zejména doc. Ing. Petru Horáčkovi, CSc. (ČVUT-FEL) za odborné vedení. Vážím si jeho cenných rad i času, který mi věnoval.

3/7 Úvod. Energetická náročnost budov Energetická spotřeba budov a její snižování patří mezi prioritní oblasti dosažitelných energetických úspor. Podle [Směrnice Evropského parlamentu a Rady /9/ES] bytový a terciární sektor, jehož hlavní část tvoří budovy, representuje více než 4 % konečné spotřeby energie ve Společenství a dále roste, což je spojeno se zvýšením jeho energetické spotřeby, a tudíž také se zvýšením jeho emisí oxidu uhličitého Ve zprávě [Nezávislá energetická komise, Zpráva 8--] je uvedeno doporučení pro realizaci energetických úspor České republice: Klíčovým sektorem, na který je třeba zaměřit úsilí nejdříve, jsou obytné budovy a budovy terciárního sektoru, dalšími důležitými oblastmi jsou průmysl a doprava. Prostředky z Evropských strukturálních fondů je třeba nasměrovat do snižování energetické náročnosti českých veřejných a firemních budov. Tato opatření je třeba vázat na dosažení minimálně nízkoenergetického standardu (třída B podle vyhlášky č. 48/7 Sb.) Základním způsobem dosažení energetických úspor v budovách je minimalizace prostupu tepla obálkou domu a eliminace její vzduchové průvzdušnosti. Uvážením těchto principů při konstrukci vnější obálky domu lze významně snížit spotřebu energie na vytápění či chlazení budovy, avšak bez využití větracího systému či pravidelného provětrávání okny by došlo k významnému zhoršení kvality vnitřního vzduchu a negativnímu vlivu na obyvatele domu. Pro dosažení efektivního provozu budov je proto nutné zajistit ideální kompromis mezi nízkou energetickou náročností a dobrou kvalitou vnitřního prostředí.. Pasivní domy Pojem pasivní dům lze definovat mnoha způsoby. V kontextu této práce je pasivní dům uvažován v souladu s [ČSN 73 54] a [CPD Co je pasivní dům] jako budova s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 5 kwh (m a) -. Této hodnoty je dosaženo vynikajícími parametry tepelné izolace s minimalizovanými tepelnými mosty a velmi těsnou konstrukcí vnější obálky domu, omezující neřízenou vzdušnou výměnu. Dům je vybaven HVAC systémem s rekuperační jednotkou. Tento systém zajišťuje dostatečné větrání objektu a topení nebo chlazení prostřednictvím nasávaného a odtahovaného vzduchu. Dalším požadavkem kladeným na pasivní domy je spotřeba celkového ročního množství primární energie spojené s provozem budovy nepřesahující kwh (m a) -. Dále se bude tato práce zaměřovat na pasivní rodinné domy, popisované principy jsou však aplikovatelné též u nízkoenergetických domů a pasivních bytových domů..3 Kvalita vnitřního vzduchu a environmentální veličiny Kvalitu vnitřního vzduchu je možné hodnotit podle mnoha různých hledisek. Pro účely regulace HVAC systémů domů lze kvalitu vnitřního vzduchu hodnotit a měřit zavedením čtyř základních environmentálních veličin teploty, koncentrace CO, relativní vlhkosti a tlaku vzduchu..3. Teplota Teplota je environmentální veličinou, jejíž hodnota má na subjektivní vnímání obyvatel hlavní vliv. Od řídicích systémů budov se očekává její zajištění v okolí žádané hodnoty. Teplota v minulosti a mnohdy i v současnosti představuje jedinou řízenou environmentální veličinu. Používá se též termín environmentální parametry.

4/7.3. Koncentrace oxidu uhličitého Oxid uhličitý je bezbarvý plyn, který v budovách vzniká zejména dýcháním a spalováním plynu. Nadměrně vysoká koncentrace CO způsobuje pocity únavy a oslabení. Za zjednodušujících podmínek lze koncentraci oxidu uhličitého chápat jako indikační veličinu kvality vzduchu, reflektující přítomnost člověka, a jako vstupní signál pro požadavky řízenou ventilaci [Schell et al.]..3.3 Relativní vlhkost Vzdušná vlhkost hraje pro dobrý provoz pasivních domů klíčovou roli. Nadměrně vysoká hodnota relativní vlhkosti vede ke zhoršení tepelných vlastností materiálů a ke vzniku plísní. Naopak příliš nízká hodnota této veličiny vede k nepříjemným pocitům při vdechování, popřípadě k alergickým reakcím, které jsou způsobeny především nárůstem obsahu prachu ve vzduchu při velmi nízkých hodnotách relativní vlhkosti..3.4 Tlak vzduchu Tlak vzduchu je environmentálním parametrem nemajícím přímý vliv na kvalitu prostředí, je ale základní veličinou pro vyčíslení velikosti a směru toků vzduchu mezi jednotlivými místnostmi, klapkami nebo obálkou domu. Působení větru je rovněž přepočítáváno na dynamický tlak způsobený větrem a jeho vliv je vyčíslen na základě tlakové diference..4 Modelování a řízení HVAC systémů pasivních domů Úkolem HVAC systému je zejména zajištění vhodného kompromisu mezi protichůdnými požadavky nízké energetické náročnosti a dobré kvality vnitřního vzduchu. Nastavení a ověření chování řídicího systému je sice možné provést výhradně s využitím měřených dat přímo na reálné budově, avšak tento způsob je velmi nevýhodný jak z hlediska časového a ekonomického, tak z hlediska opakovatelnosti pokusů a problematičnosti měření v mezních situacích 3. Proto je výhodné disponovat dynamickým modelem energetické náročnosti a kvality vnitřního vzduchu v budovách a před pokusy na reálné budově provést sady experimentů s využitím těchto simulačních modelů..5 Cíle projektu Cílem projektu je vytvořit dynamický model environmentálních veličin a energetické spotřeby pasivních domů respektující specifické požadavky pro návrh a ověření kvality regulace řídicích algoritmů HVAC systémů domu. Dynamický model bude sestávat z univerzální knihovny s parametrizovanými bloky pro namodelování obecného pasivního domu a modelu zvoleného pasivního rodinného domu, dále nazývaného typový dům. Od práce se rovněž očekává navržení základní verze regulátoru a doporučení umístění měřicích prvků v plánovaném pasivním rodinném typovém domě, vyplývajícího z poznatků získaných při odměru dat na reálné budově s využitím zapůjčené měřicí sady. Zejména počasí vstupuje do procesu měření a testování jako náhodná veličina. Přestože se jedná o měřitelnou poruchovou veličinu, její vliv je vzhledem k charakteru soustavy velmi obtížně eliminovatelný. 3 V průběhu měření nemusí dojít k extrémním podmínkám, např. k extrémním klimatickým jevům.

5/7 Existující dynamické modely environmentálních veličin. Kategorizace dynamických modelů environmentálních veličin Dynamické modely environmentálních veličin lze kategorizovat podle mnoha kritérií. Jedním ze základních hledisek je granularita modelu, tj. velikost atomických částí modelu vzhledem k velikosti simulovaného celku... Makroskopické modely Makroskopické modely jsou založeny na myšlence rozdělení budovy na tzv. zóny. Zóna je definována jako část prostředí, uvnitř které je vzduch dokonale promísen. Makroskopické (zónové) modely je možné blíže kategorizovat podle počtu zón, ze kterých se budova skládá.... Mono-zone modely Mono-zone modely přistupují k budově jako k jednomu nedělitelnému bloku. Velikost zóny odpovídá celé budově. Předpoklad promísení vzduchu uvnitř celé budovy bývá prakticky nesplněn, proto tyto modely podávají pouze velmi hrubý odhad chování objektu a v praktickém použití nedochází k jejich širšímu nasazení.... Multi-zone modely Multi-zone modely (v některé literatuře nazývané též multi-room) byly odvozeny z mono-zone modelů zvýšením počtu zón. Zóna v tomto případě odpovídá jedné místnosti. Modely předpokládají, že budova se skládá z několika zón (místností) s diskrétně definovanými interakčními body. Tento typ modelů je v současnosti považován za ideální kompromis mezi výpočetní náročností a přesností dosahovaných výsledků....3 Zonal modely Obr..: Ukázka výsledků multi-zone modelu, koncentrace vyjádřená teplotou barvy. Zdroj: [Jayaraman et al., 4] Zonal modely vznikly jako modifikace multi-zone modelů zvýšením počtu zón. Místnost je v tomto případě tvořena více než jednou zónou. Zvýšená přesnost modelu oproti multi-zone je vykoupena vyšší výpočetní náročností a zvýšeným počtem zadávaných parametrů. Pokud jsou zadány nepřesně, mohou zonal modely dosahovat větších chyb, než multi-zone modely.

6/7.. Mikroskopické modely Mikroskopické modely vycházejí z představy, že při pouhém navyšování počtu zón, na které je budova rozdělena, nelze dosáhn dostatečně přesných výsledků. Tyto modely využívají metodu computational fluid dynamics (CFD), založenou na numerickém řešení Navier- Stokesovy rovnice. Díky vysoké výpočetní složitosti cyklického řešení parciálních diferenciálních rovnic se zatím nepodařila uspokojivá aplikace těchto modelů na celou budovu. Jsou využívány zejména pro analýzu jednotlivých konstrukčních prvků budov, typicky prvků systému vzduchotechniky...3 Kombinace mikroskopických a makroskopických modelů Vzhledem k vysoké výpočetní náročnosti CFD modelů a nepřesnostem multi-zone modelů při simulaci rozsáhlejších místností byl vytvořen koncept kombinace mikroskopických a makroskopických modelů, označovaný též kombinace multi-zone a CFD modelu. Kombinovaný model umožňuje modelovat hmotnostní a tepelné toky mezi jednotlivými místnostmi jako multi-zone simulace a uvnitř rozsáhlých místností se využívá vysoké přesnosti CFD modelu. Ukázky výsledků modelu lze zhlédn např. v [Jayaraman et al., 4]. K širšímu nasazení těchto modelů zatím nedošlo. Obr..: Ukázka výsledků kombinace mikroskopického a makroskopického modelu, koncentrace vyjádřená teplotou barvy. Zdroj: [Jayaraman et al., 4]. Zhodnocení vhodnosti použití existujících modelů pro návrh řídicích systémů Návrh a testování řídicích algoritmů HVAC systémů klade na používané modely specifické požadavky, bez jejichž splnění modely nejsou pro tento účel vhodné. Především musí model podporovat zahrnutí řídicího algoritmu (nejen lineárního řízení, ale též nelineárních operací). Je vyžadována podpora vyčítání plné stavové informace modelu, což je zvláště významné v případě navrhování regulátoru moderními metodami řízení. Vyžadují se též nástroje pro porovnání kvality regulace jednotlivých řídicích algoritmů. Simulační nástroj musí dále podporovat snadné vkládání nových komponent, reflektujících stavebně-technické trendy a perspektivní technologie. V neposlední řadě se od simulačního nástroje požaduje, aby byl šířen s licenčními podmínkami umožňujícími vícečlenný vývoj a testování řídicích algoritmů a nasazení těchto algoritmů i v komerční sféře podle licenčních podmínek stanovených autorem algoritmu. Předpokládá se rovněž subjektivní uživatelská přívětivost produktu. Dostupné modely uvedené podmínky nesplnily, bylo proto rozhodnuto o vývoji nového.

7/7 3 Univerzální knihovna bldsimlib Univerzální knihovna bldsimlib je základním kamenem navrženého dynamického modelu environmentálních veličin i hlavním výstupem podpořeného projektu. Knihovna obsahuje parametrizovatelné bloky, umožňující namodelování obecného pasivního domu. Byla implementována v prostředí Matlab-Simulink, které představuje univerzální nástroj pro simulace a ověřování kvality regulace v oblasti řídicí techniky. 3. Struktura modelu Pro navržený model byla zvolena topologie multi-zone. Tento typ modelu byl shledán jako vhodný kompromis mezi přesností výsledků a výpočetní složitostí. Model typu multi-zone předpokládá, že každá místnost budovy odpovídá právě jedné výpočetní zóně. Uvažuje se, že mezi místnostmi dochází k látkovému a tepelnému přenosu v konečném počtu interakčních oblastí, které mohou být matematicky reprezentovány jako jednotlivé interakční body. Model dále přijímá zjednodušení, že vzduch uvnitř jednotlivých místností je dokonale promísen, a má tak ve všech bodech homogenní izotropní vlastnosti. 3. Základní popis knihovních bloků 3.. Místnosti Místnosti tvoří základní bloky vytvořeného modelu. Představují hlavní nositele dynamiky environmentálních veličin. Protože je model bldsimlib absolutní, místnosti jsou akumulátory tepelných a látkových toků. Stavovou veličinou místností je vektor obsahující informace o látkovém množství vzduchu v místnosti, látkovém množství CO, látkovém množství obsažené vzdušné vlhkosti, tlaku vzduchu a jeho teploty. S využitím veličin tohoto stavového vektoru jsou počítány koncentrace CO a relativní vlhkost vzduchu. Úplný matematicko-fyzikální rozbor přesahuje rozsah tohoto dokumentu, dále budou ilustrativně uvedeny pouze základní vztahy. Tlak v místnosti je popsán stavovou rovnicí ideálního plynu: pv = nrt [Pa, m 3 ; mol, J mol - K -, K] ( 3. ) kde p tlak [Pa] V objem [m 3 ] n látkové množství [mol] R molární plynová konstanta [J mol - K - ] T absolutní teplota [K] Tepelné a látkové chování místností jsou popsány vztahy: T = C t t ( ) Q t τ dτ [K; J K -, W, s] ( 3. ) kde T Termodynamická teplota [K] Q t Tepelný tok [W] τ Čas [s] C Tepelná kapacita [J K - ] n = t t ( ) Q n τ dτ [mol; mol s -, s] ( 3.3 ) kde n Látkové množství [mol] Q n Látkový tok [mol s - ] τ Čas [s]

8/7 3.. Exteriér a podloží budovy Exteriér a podloží budovy se z hlediska svého matematicko-fyzikálního chovají obdobným způsobem jako místnosti. Přesto existuje mezi těmito entitami významný rozdíl. Nespočívá pouze ve faktu, že konstanty parametrizující tyto entity mají řádově rozdílné hodnoty, ale zejména v tom, že pro model domu exteriér a podloží budovy definují okrajové podmínky. Hodnotami environmentálních veličin popisujících exteriér a podloží budovy lze modelovat jak extrémní klimatické situace a jejich dopad na energeticko-environmentální chování budovy, tak použít data definující referenční klimatický rok a na jejich základě simulovat typické chování domu a porovnávat podle finančních a kvalitativních hledisek různé varianty provedení stavebních i regulačních řešení. 3..3 Entity uvnitř místností V této podkapitole je uveden stručný seznam modelovaných entit a jejich vliv na environmentální veličiny. Matematický popis převyšuje rozsah této zprávy. Entita Tok tepla Látkový tok CO Látkový tok H O Látkový tok vzduchu Osoba Zdroj Zdroj Zdroj Svítidla a ostatní elektrospotřebiče Sporák (el. / plynový) Zdroj Zdroj / Zdroj Zdroj Rostlina Zdroj / spotřebič Zdroj Koupelna (vana, sprcha) 3..4 Interakce mezi místnostmi Zdroj/spotřebič Zdroj Tab. 3.: Entity uvnitř místností Místnosti spolu interagují prostřednictvím látkových a tepelných toků. Tyto toky jsou vyjádřeny vztahy: n ( A B) Q = p Q A V [mol s - ; Pa, m 3 s -, J mol - K -, K] ( 3.4 ) RTA kde Q n molární tok z místnosti A do B [mol s - ] p A tlak v místnosti A [Pa] Q V objemový tok [m 3 s - ] R molární plynová konstanta [J mol - K - ] T A termodynamická teplota [K] Q t ( A B) = nc ( T T ) [W; mol, J mol - K -, K, K] ( 3.5 ) m B kde Q t tepelný tok z místnosti A do B [W] n látkové množství [mol] c m molární tepelná kapacita [J mol - K - ] T A termodynamická teplota místnosti A [K] T B termodynamická teplota místnosti B [K] A

9/7 Objekt Interakce Stěna Okna Průvzdušnost Vnitřní dveře Klapky Rekuperační jednotka s ventilátory Popis Základní blok modelující výše uvedené vztahy Blok modelující přenos tepla vedením a jeho akumulaci (stěnu představuje trojice kapacitorů) Blok modelující přenos tepla kondukcí (sklo, rám), konvekcí (spárová průvzdušnost) a sluneční radiací (sklo) Blok modelující přenos tepla konvekcí Blok modelující přenos tepla kondukcí a konvekcí, umožňující otevírání a zavírání (tj. změnu průvzdušné plochy) Blok modelující vyústku vzduchovodu umožňující regulaci průtoku vzduchu Blok modelující rekuperátor tepla, odtahový ventilátor a ventilátor nasávaného vzduchu Tab. 3.: Typy interakcí mezi místnostmi a jejich popis 3.3 Náhled na knihovnu bldsimlib v prostředí Matlab-Simulink Universal library for environmental quantities modeling of residential buildings Objects in rooms Rooms and exterior (zones) Interactions between zones and ventilation I/O termination Analysis N_man N_woman Human N_child K_activity Interaction Interaction Exhaust fan Exhaust Neutral I /O NeutralI Scope Human <;> Heat source Room CO (ppm ) RH (%) Extender O/C Window {;} OCWindow Ventilator <;> Ventilator Neutral I /O NeutralO In Analyzer Heat Heat source heat (W) Heat Universal source Source Gas cooker Cooker p (kpa) Room CO (ppm ) Exterior RH (%) p (kpa) sun wind Exterior Extender Window Window Interior door {;} Door Damper <;> Damper Exhaust Outlet Source Inlet HVAC unit hvac Exhaust Source Term OC Plant Plant Bath /shower Bathroom Ground CO (ppm ) RH (%) p (kpa) Ground Leakage (ext) (ext) Leakage Leakage (simple ) Leakage Ext p_ Blower door tester p_ p_3 Blower _door _tester Obr. 3.: Náhled na základní zobrazení knihovny s parametrizovatelnými univerzálními bloky v prostředí MATLAB-Simulink

/7 4 Model typového pasivního domu Bloky z univerzální knihovny byly použity pro namodelování typového domu. Jedná se o pasivní rodinný dvoupodlažní dům. Model byl vytvořen podle dostupných stavebních výkresů, ze kterých byly čerpány zejména rozmístění místností, rozměry stěn, podlah, stropů a výplní otvorů. Okrajové podmínky modelu jsou definovány daty referenčního klimatického roku, obsahující tyto fyzikální veličiny: venkovní teplotu, teplotu podloží domu, koncentraci CO ve vnějším vzduchu, relativní vlhkost vnějšího vzduchu, atmosférický tlak, rychlost a směr větru, solární zisky. Nedílnou součástí modelu typového domu je aproximace chování jeho obyvatel. Předpokládá se, že v domě bydlí čtyřčlenná rodina (dospělý muž, dospělá žena a dvě děti). V 6: obyvatelé vstávají (aktivita střední), v 7: ve všední dny odchází obyvatelé z domu, v 5: se ve všední dny navracejí obyvatelé domů (aktivita střední), od 8: do 9: je zvýšená aktivita obyvatel a v době od : do 6: následujícího dne obyvatelé spí snížená aktivita. 4 3 3 6 5 5 4 Obr. 4.: Typový dům (popis místností) 4. Náhled na model v prostředí MATLAB-Simulink Environmental quantities model of the passive type house no. 3 Year Month Day Hour Minute Day ( -7, Sun-Mon ) Simulation clock Holiday ( -Yes, -No) np np Logging Exterior Hvac Obr. 4.: Model typového domu (náhled na nejvyšší vrstvu simulačního schématu)

Neutral I /O NeutralI 3 fl Add From _np_ m _ fl _t Goto_np _ m _ From _vent _ vent _in From _v v rf Goto _vent _ vent Room m fl _t Goto _np Goto _np_ m _ Goto_vent _ m _ Term 5 Term 6 Term 7 From vent Term Term Term 3 rf _t w ext_t rf _t w ext_t m _ w ext Term 6 Term 3 hm _man hm _woman hm _child hm _activity CO (ppm ) RH (%) p (kpa) N_man N_woman N_child K_activity m _t m _co m _rh m _p Human human m _ Goto_m From _m _ m _ From _ext_ ext From _m m _ From _ext ext w w5 From 3 m _ OC w _t From m _ From 35 m _ m _ From 44 m5 _ From 45 w5 _t fl 5 From _m m _ OC4 fl Add fl 5 _t d5 From _np_m5 Interior door {;} m6 _ Goto_np_5 m6 _ From _np_ m _ OC3 From _vent _in_5 vent _in From _v5 v5 Goto _vent 5 vent 5 From 9 From _vent vent _ From _v v rf Room m5 Room m rf5 w ext w5 w5 _t w5 ext Term Term 8 Term rf5 _t Term 9 w5 ext_t m5 _ From 37 CO (ppm ) RH (%) p (kpa) CO (ppm ) RH (%) p (kpa) hm 3_man hm 3_woman hm 3_child hm 3_activity m _ From 36 m5 _t m5 _co m5 _rh m5 _p m 5 _ Goto _m5 From _m m _t m _co m _rh m _p m _ From _ext _ ext m _ Goto_m N_man N_woman N_child K_activity w45 From _m5 m 5 _ From _ext_5 ext Human human 3 m5 _ From 4 m4 _ From 43 w45 _t From 4 m _ From 5 m3 _ fl 4 OC Neutral I /O NeutralI fl 3 fl 4 _t From _np_4 m5 _ Goto _np_4 m5 _ d4 From _np_3 m3 _ fl 3 _t Interior door {;} Goto _np_3 m 3 _ OC Goto_vent 4 vent 4 From _vent _in_4 vent _in From _v4 v4 From _vent 3 vent _ From _v3 v3 Room m4 rf3 Goto_vent 3 vent 3 m _ Room m3 rf4 Term 9 w3 ext rf3 _t w34 w34 _t w4 ext Term Term 6 Term 3 Term 4 Term 5 rf4 _t w4 ext_t w3 ext_t CO (ppm ) RH (%) p (kpa) CO (ppm ) RH (%) p (kpa) m 3 _ From 4 m3 _ Goto_m3 m3 _t m3 _co m3 _rh m3 _p Goto _m4 m4 _t m4 _co m4 _rh m4 _p m4 _ Term m 4 _ From 4 From _m3 m 3 _ From _ext_3 ext From _m4 m 4 _ From _ext_4 ext Modelování environmentálních veličin pasivních domů /7 Model of second floor, type house no. 3 <;> d Damper (ext) l dinterior door Leakage (ext) {;} <;> d Damper (ext) l Leakage (ext) <;> d3 Damper (ext) l3 Leakage (ext) {;} {;} d3interior door dinterior door m5 _ From 8 m _ From 7 m 4 _ From 6 <;> (ext) <;> (ext) ww Window ws Window d5 Damper w5 Window l5 Leakage (ext) d4 Damper w4 Window l4 Leakage (ext) Obr. 4.3: Model typového domu (. nadzemní podlaží) 4. Průběhy environmentálních veličin typového domu CO [ppm] 9 8 7 6 Room CO [ppm] 3 4 5 6 3 4 5 Volumetric flow [m 3 /s].5..5..5 Interior doors flows [m 3 /s] d d6 d3 d5 d34 d d5 d d3 d4 5 4 5 5 5 53 54 55 56 57 58 59 6 Time [day of year] Obr. 4.4: Desetidenní průběh koncentrace oxidu uhličitého v typovém domě bez řízení -.5 -. 5 5 5 53 54 55 56 57 58 59 6 Time [day of year] Obr. 4.5: Desetidenní průběh vzdušných toků v typovém domě bez řízení Relative humidity [%] 9 8 7 6 5 4 3 Room relative humidity [%] 3 4 5 6 3 4 5 vent i n vent o ut exterior Pressure [kpa].35.3.35.3.35.3.95.9.85 Room pressure [kpa] 3 4 5 6 3 4 5 vent i n vent o ut exterior.8 5 5 5 53 54 55 56 57 58 59 6 Time [day of year] Obr. 4.6: Desetidenní průběh relativní vlhkosti v typovém domě bez řízení.75 5 5 5 53 54 55 56 57 58 59 6 Time [day of year] Obr. 4.7: Desetidenní průběh tlaků vzduchu v typovém domě bez řízení

/7 5 Room temperature [deg.c] Temperature [deg C] 4 3 - Exterior 3 4 5 6 3 4 5-5 5 5 3 35 4 Time [day of year] Obr. 4.8: Roční průběh teplot v typovém domě bez řízení. Vysoké dosažené teploty jsou způsobeny zejména odcloněnými žaluziemi. 35 Room temperature [deg.c] Temperature [deg C] 3 5 5 5-5 - Exterior 3 4 5 6 3 4 5-5 5 5 5 3 35 4 Time [day of year] Obr. 4.9: Roční průběh teplot se základním zpětnovazebním řídicím systémem

3/7 5 Závěr Dynamické modely environmentálních veličin pasivních domů jsou jedním z prostředků, kterým lze analyzovat chování domu i jeho HVAC systému a optimalizovat jejich provoz jak z hlediska energetického a finančního, tak z hlediska kvality vnitřního prostředí. V práci byly kategorizovány existující modely podle svého přístupu k modelování reality a představen průřez konkrétním existujícím softwarem. Protože existující modely nesplnily definované požadavky pro potřeby analýzy a syntézy regulačních algoritmů HVAC systémů pasivních domů a jejich ověřovaní na simulovaných datech, bylo přistoupeno k vývoji nového modelu environmentálních veličin, implementovaného v prostředí Matlab-Simulink. Byl proveden matematicko-fyzikální rozbor faktorů ovlivňujících environmentální veličiny domů. Environmentálními veličinami se z hlediska modelování a regulace HVAC systémů rozumí teplota, koncentrace oxidu uhličitého, relativní vlhkost a tlak (resp. proudění vzduchu). Základem vytvořeného dynamického modelu environmentálních veličin je knihovna bldsimlib, implementovaná v aplikaci MATLAB-Simulink. Její modulární struktura umožňuje modelování obecných pasivních domů i snadné přidávání nových bloků reflektujících případná nekonvenční stavebně-technická řešení. S využitím obecné knihovny byl namodelován typový pasivní rodinný dům. Pro typový dům byl navržen jednoduchý řídicí systém a zkoumáno chování samotného modelu i budovy jako celku. Během projektu bylo dále provedeno měření dat na reálné budově a jejich porovnání se simulací. Měření bylo provedeno v běžném rodinném domě. Výsledky měření potvrdily, že zvolená koncepce modelu je pro dynamické modelování environmentálních veličin vyhovující a na základě zkušeností z průběhu měření byla zformulována doporučení pro rozmístění senzorů v plánovaném typovém domě. V závěru projektu byly vytyčeny cíle a požadavky další práce. Kromě již zmiňovaného měření veličin typového pasivního domu a jejich srovnání se simulací je plánováno zpřesnit model pohybu osob uvnitř typového domu a domodelovat předpokládaný provoz elektrospotřebičů uvnitř typového domu. Výsledky projektu byly prezentovány na mezinárodní konferenci Pasívne domy 9 v Bratislavě.

4/7 6 Literatura [ ] AbBSIM [online]. [cit. 9-8-5]. Dostupný z WWW: <http://www.sbi.dk/en/publications/programs_models/bsim/ab-bsim#tsbi5>. [ ] BECHNÍK, B. Vztah vlhkostní a energetické bilance stavby [online]. 4. [cit. 8-5- ]. Dostupný z WWW: <http://vytapeni.tzb-info.cz/t.py?t=&i=9>. [ 3 ] BROŽ, K.; ŠOUREK B. Alternativní zdroje energie. Praha : ČVUT - FS, 3. [ 4 ] Building Energy Software Tools Directory [online]. c9. [cit. 9-8-5]. Dostupný z WWW: <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/subjects.cfm> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=45> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=87> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=39> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=7> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=438> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=43> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=8> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=58> <http://apps.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/software.cfm/id=434>. [ 5 ] CIHELKA, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha : SNTL, 985. [ 6 ] CIHELKA, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha : SNTL, 975. [ 7 ] CIHELKA, J. Solární tepelná technika. Praha : Nakladatelství V. Malina, 994. [ 8 ] CPD Co je pasivní dům [online]. [cit. 9--7]. Dostupný z WWW: <http://www.pasivnidomy.cz/pasivni-dum/co-je-pasivni-dum.html?chapter=definicerozdeleni-podle-energeticke-narocnosti>. [ 9 ] Czech Hydrometeorological Institute s Home Page [online]. Dostupný z WWW: <http://www.chmu.cz/>. [ ] CZECH PAN DŘEVOSTAVBY Proč K-KONTROL [online]. Cit 9--5. Dostupný z WWW: <http://www.czechpan.cz/index.php?page=proc_k-kontrol>. [ ] ČSN 73 54. Tepelná ochrana budov.. [ ] ČSN 73 548. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. 985. [ 3 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H. Rezidenční mikroprostředí : disertační práce. Praha : ČVUT Fakulta stavební, 7. [ 4 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H. Bytové větrání ve vztahu k produkci CO, vlhkosti a škodlivin (II) [online]. 6. [cit. 9--3]. Dostupný z WWW: <http://vetrani.tzbinfo.cz/t.py?t=&i=34>. [ 5 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H.; PAPEŽ, K. Problematika bytového větrání [online]. 8. [cit. 9--3]. Dostupný z WWW: <http://vetrani.tzb-info.cz/t.py?t=&i=463>. [ 6 ] DRKAL F. [online]. Dostupný z WWW: <http://www.fsid.cvut.cz/~drkal/index.htm>. [ 7 ] FEUSTEL, H. E. COMIS an international multizone air-flow and contaminant transport model. Energy and Buildings. 999, 3, p. 3-8. [ 8 ] FINLAYSON, E. U.; GADGIL A. J.; THATCHER T. L.; SEXTRO, R. G. Pollutant dispersion in a large indoor space. Indoor Air. 4, vol. 4, p. 58-7.

5/7 [ 9 ] GEBAUER, G.; RUBINOVÁ, O.; HORKÁ, H. Vzduchotechnika. Brno : Era, 5. [ ] HALLIDAY, D.; RESNIK, R.; WALKER, J. Fyzika. (Z anglického originálu Fundamentals of Physics. Extended (5. vydání) vydaného nakladatelstvím John Wiley & Sons, Inc., v roce 997 s přihlédnutím k 6. vydání z roku ). VUTIUM Brno ve spolupráci s PROMETHEUS Praha. Vydání první,. [ ] HEPPNER, D. B.; DAHLHAUSEN, M. J.; KLIMAS, R. Advanced CO removal process control and monitor instrumentation development. Cleveland : Life systeme, 98. [ ] HORÁČEK, P.; KŘÍŽ, J.; LANGER, M; NOVÁK, P. Výzkum perspektivních materiálů, technologií a regulačních procesů pro pasivní dům výzkumná zpráva 8--3. Praha : ČVUT, 8. [ 3 ] HORÁČEK, P.; KŘÍŽ, J.; LANGER, M.; NOVÁK, P. Výzkum perspektivních materiálů, technologií a regulačních procesů pro pasivní dům výzkumná zpráva 9-9-. Praha : ČVUT, 9. [ 4 ] HROUDA, M.; NOVÁK, P. Modelování a řízení teploty a koncentrace CO v obytných budovách : zpráva k projektu. Verze 9-6-7. Praha, 9. 6 s. ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická. PDF. Nepublikováno. [ 5 ] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. Větrání a klimatizace. Brno: BOLIT-B Press, 993. ISBN 8-9574--8. [ 6 ] JAYARAMAN, B.; LORENZETTI, D. M.; GADGIL, A. J.: Coupled Model for Simulation of Indoor Airflow and Pollutant Transport [online]. Berkeley 4. [cit. 9-8-5 ]. Dostupný z WWW <http://eetd.lbl.gov/ie/pdf/lbnl-56667.pdf>. [ 7 ] JOKL M. Teorie vnitřního prostředí budov. Praha : ČVUT, 986. [ 8 ] JOKL M. Zdravé obytné a pracovní prostředí. Praha : Academia,. [ 9 ] KALAGASIDIS, A. S.; WEITZMANN, P.; NIELSEN, T. R.; PEUHKURI, R.; HAGENTOFT, C.-E.; RODE C. The International Building Physics Toolbox in Simulink. Energy and Buildings. 7, 39, p. 665-674. [ 3 ] KARAFIÁT, J. Potřeby tepla pro člověka, způsoby vytápění a zdroje tepla [online]., Praha, 7. Dostupný z WWW: <http://www.powerwiki.cz/attach/vyroba/predstaveni_teplarenstvi.pdf>. [ 3 ] KREJČÍ, V. Výpočet tepelné zátěže studijní materiál pro předmět Větrání a klimatizace I [online]. Brno : VUT, dostupný z WWW: <http://dt.fme.vutbr.cz/users/krejci/vyuka/klima cv_5.pdf>. [ 3 ] KUBEŠ, P.; KYNCL, Z. Fyzika I. Praha : Vydavatelství ČVUT, 99. ISBN 8-- 67-X. [ 33 ] LORENZETTI, D. M. Assessing multizone airflow simulation software [online]. Environmental Energy Technologies Division, Indoor Environment Department, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA, USA, dostupný z WWW: <http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/7988-jcurok/native/7988.pdf>, LBNL 49578,. [ 34 ] LORENZETTI, D. M. Predicting Indoor Pollutant Concentrations, and Applications to Air Quality Management [online]. Lawrence Berkeley National Laboratory, Cyclotron Road, Mailstop 9R358, Berkeley CA 947 USA. Dostupný z WWW: <http://buildingairflow.lbl.gov/pubs/predictconcent.pdf>.

6/7 [ 35 ] MATHAUSEROVÁ Z.: Přirozené větrání, infiltrace a exfiltrace [online]. 6. Dostupný z WWW: <http://stavba.tzb-info.cz/t.py?t=&i=368>. [ 36 ] MEGRI, A. Ch. Building Load and Energy Simulation Programs and the Design Process. International Journal of Ventilation, Print ISSN: 473-335. Volume: 6, Issue:, Cover date: September 7, Page(s): 77-9, Chicago 7. [ 37 ] MIKULČÁK J. a kol. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. Prometheus, 4. [ 38 ] MORA, L.; GADGIL, A. J.; WURTZ, E. Comparing zonal and CFD model predictions of isothermal indoor airflows to experimental data. Presented at EPIC konference - Third European Conference on Energy Performance and Indoor Climate in Buildings, Lyon, France October 3-6,. [ 39 ] Nezávislá energetická komise, Zpráva 8--. [online]. Dostupný z WWW: <http://www.vlada.cz/cz/ppov/nezavisla-energeticka-komise/aktuality/>. [ 4 ] NOVÁK, J.; TYWONIAK J. Budova jako součást větracího systému / větrací systém jako součást budovy. Vytápění, větrání, instalace. /6. [ 4 ] NOVÁK, J.; TYWONIAK, J. Stavební a energetická koncepce integrovaného navrhování budov [online]. Praha : ČVUT v Praze, 5 [cit. 9-8-5]. Dostupný z WWW <http://www.cideas.cz/free/okno/technicke_listy/uvt/.pdf>. [ 4 ] NOVÁK, P. Dynamické modely environmentálních veličin pasivních domů. Pasivní domy 9 sborník z konference. 9. Brno : Centrum pasivního domu. [ 43 ] NOVÁK, P. Modelování a řízení obsahu CO ve vzduchu v obytných budovách : bakalářská práce. Praha : ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická, 8. 5 s. [ 44 ] Passivhaus Institut [online]. Dostupný z WWW: <http://www.passivehouse.com>. [ 45 ] Passive House Institute, Dr. Wolfgang Feist: Passive House Planning Package 7 Specifications for Quality Approved Passive House (manual), Passive House Institute, Darmstadt, Německo, 7. [ 46 ] PAUL rekuperace tepla Hlavní strana [online]. Dostupný z WWW: <http://www.paul-rekuperace.cz/>. [ 47 ] PERSILY, A. K. Modeling study of ventilation, IAQ and energy impacts of residential mechanical ventilation [online]. National Inst. of Standards and Technology, Building Environment Div., Gaithersburg, MD, 998. Dostupný z WWW: <http://www.fire.nist.gov/bfrlpubs/build98/art8.html>. [ 48 ] POČINKOVÁ, M. Umístění plynových spotřebičů s ohledem na větrání bytových domů [online]. 5. Dostupný z WWW: <http://www.tzb-info.cz/t.py?i=85&t=>. [ 49 ] Projekční a poradenská kancelář QPRO v oborech klimatizace a vzduchotechnika [online]. Dostupný z WWW: <www.qpro.cz>. [ 5 ] Přispěvatelé Wikipedie: Přestup tepla [online]. Wikipedie: Otevřená encyklopedie, 8, Datum poslední revize 6. 6. 8, 9:9 UTC, [cit. 6.. 8]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=p%c5%99estup_tepla&oldid=754536> [ 5 ] Přispěvatelé Wikipedie: Équation d'antoine [online]. Wikipédia, l'encyclopédie libre; 9, Datum poslední revize 3..9, 8:5 UTC [cit..6.9]. Dostupný z WWW:

7/7 <http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=%c3%89quation_d%7antoine&oldid=3736 353>. [ 5 ] RUBINOVI O. a A.: Vnitřní prostředí budov a tepelná pohoda člověka [online]. 5. (Výběr z Klimatizace a větrání, Era, 5). Dostupný z WWW: <http://vetrani.tzbinfo.cz/t.py?t=&i=65>. [ 53 ] SCHELL, M. B.; TURNER, S. C.; SHIM, R. O. Application of CO-Based Demand- Controlled Ventilation Using ASHRAE Standard 6: Optimizing Energy Use and Ventilation [online]. [cit. 9-8-3]. Dostupný z WWW: <https://www.airtesttechnologies.com/support/reference/paper.pdf>. [ 54 ] STAVOVA, P.; MELIKOV, A. K.; SUNDELL, J.; NAYDENOV, K.G. A New Aprroach For Ventilation Measurement In Homes Based On CO Produced By People Laboratory Study, 7th Air-Conditioning And Ventilation Conference, Prague, 6. [ 55 ] Směrnice Evropského parlamentu a Rady /9/ES [online]. Směrnice ze dne 6. prosince o energetické náročnosti budov [cit. 9--7]. Dostupný z WWW: <http://www.epbdinaction.eu/scrivo/asset.php?id=38585>. [ 56 ] STEWART, J. R. Indoor Air Modelling [online]. [cit 9-7-4]. Dostupný z WWW: <http://www.cs.qub.ac.uk/~j.r.stewart/indoorair.htm>. [ 57 ] ŠAFRÁNEK J. Okna a vnější dveře s ohledem na možnost výměny vzduchu [online]. 5. Dostupný z WWW: <http://www.tzb-info.cz/t.py?i=86&t=>. [ 58 ] ŠETLÍK, I.; SEIDLOVÁ, F.; ŠANTRŮČEK, J. Fyziologie rostlin. Biologická fakulta Jihočeské univerzity, 998. [ 59 ] TYWONIAK, J. Nízkoenergetické, pasivní a další (domy) : Přednáška pořádaná organizací IAESTE. Čas konání 6.5.9, od 6:. Místo konání ČVUT v Praze FEL, místnost 5. [ 6 ] TZB-info stavebnictví, úspory energií, technická zařízení budov [online]. Dostupný z WWW: <http://www.tzb-info.cz>. [ 6 ] U.S. DOE Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Home Page [online]. Dostupný z WWW: <http://www.eere.energy.gov>. [ 6 ] VAVERKA, J.; CHYBÍK, J.; MRLÍK, F. Stavební fyzika stavební tepelná technika. Brno : Vutium,. [ 63 ] VOHLÍDAL, J., JULÁK, A., ŠTULÍK, K.: Chemické a analytické tabulky. Praha : Grada Publishing, 999. [ 64 ] Wikipedia, The Free Encyclopedia [online]. Dostupný z WWW: <http://www.wikipedia.org/>. [ 65 ] WOLOSZYN, M.; RODE, C. Tools for Performance Simulation of Heat, Air and Moisture Conditions of Whole Buildings. Building Simulation. 8, vol., num., p. 5-4. [ 66 ] ZMRHAL V. Popis výpočtu tepelné zátěže klimatizovaných prostor [online]. Praha : ČVUT, 8. Dostupný z WWW: <http://www.fsid.cvut.cz/~zmrhal/projekt3/vypocet%tepelne%zateze.pdf>. [ 67 ] CONTAM.4b manual