Disertaní práce Ing. Miloš Lain Technika prostedí Obor Prof. Dr. Ir. Jan Hensen Školitel 2007 Praha
Anotace Disertaní práce se zabývá pasivním a nízkoenergetickým chlazením budov v eské republice. Práce obsahuje analýzy klimatu, tepelných zisk i budov a systém vtrání a klimatizace, zamené na posouzení možností použití jednotlivých metod nízkoenergetického chlazení. Detailní návrh a optimalizace nízkoenergetického chlazení je prezentována v ad pípadových studií zpracovaných poítaovou simulací energetických bilancí a doplnných o nkterá mení a monitorování. V práci je vyzdvižena významná role poítaových simulací pro detailní návrh a optimalizaci systém nízkoenergetického chlazení. Nízkoenergetické chlazení by mlo zajistit odvod tepelné zátže s minimální spotebou energie a minimálními píkony. Nízkoenergetické chlazení využívá pirozených nízkopotenciálních zdroj chladu. Mezi nízkoenergetické systémy chlazení patí pedevším: Noní vtrání - pirozené i nucené, jenž využívá nižších teplot vzduchu v noci Adiabatické chlazení vzduchu pemnu citelného tepla na teplo vázané pi odpaování vody Chlazení využívající chladu ze zemského polomasivu Chlazení sálavé s akumulaní hmotou - chlazení stavebních desek vodou nebo vzduchem Miloš Lain 2007 i
Summary Lowenergy cooling of buildings This PhD thesis deals with the applicability of passive and low energy cooling technologies in the Czech Republic. The work includes climate analysis, gains analysis as well as buildings and systems analysis in order to estimate the potential of passive and low energy cooling technologies. The latter detailed design is based on case studies, which include building simulation and some monitoring. The role of computer simulation in low energy building design and optimisation is presented. Low energy cooling technologies provide cooling in an energy efficient manner, thus reducing energy consumption and peak electricity demand. They do so by making use of low quality sources of cooling; whether it is ambient air or ground temperatures or warmer chilled water. Those technologies may be considered passive and hybrid cooling systems. The following low energy cooling technologies are addressed in this thesis: Night ventilation lowers the temperature of the building thermal mass using night ventilation Evaporative cooling sensible heat is absorbed as a latent heat to evaporate water Ground cooling the air is cooled by the ground via matrix of piping or groundwater (aquifer) cooling Slab cooling thermal mass of slab is cooled by air or water Miloš Lain 2007 ii
Podkování Rád bych na tomto míst podkoval všem, kteí pispli ke vzniku této práce. Kdybych se pokusil vypsat jména všech, kteí pispli radou, informací, i pomocí bhem dlouhé doby, kdy tato práce vznikala, byl by to seznam dlouhý a asi by se na tuto stránku nevešel.. Za odbornou pomoc a vedení dkuji obzvlášt svému školiteli prof. Dr. Ir. Janu Hensenovi a prof. Ing. Františku Drkalovi, CSc. za jeho významnou pomoc hlavn v závrených fázích práce. Dále bych chtl podkovat své rodin a pedevším své manželce a dtem, za jejich trplivost a podporu, bez které bych tuto práci tžko dokonil. Miloš Lain 2007 iii
Obsah 1 Úvod... 1 1.2 Cíle práce... 3 1.3 Metody... 3 1.4 Struktura a lenní disertaní práce... 3 2 Podklady pro ešení nízkoenergetického chlazení... 5 2.1 Historie... 5 2.2 Sdílení tepla pi nízkoenergetickém chlazení... 6 2.2.1 Vedení tepla... 6 2.2.2 Konvekce... 7 2.2.3 Sálání... 8 2.3 Pirozené proudní... 9 2.3.1 Proudní vlivem rozdílných hustot... 9 2.3.2 Tlakový rozdíl vyvolaný úinky vtru... 9 2.3.3 Tlakový koeficient Cp... 10 2.3.4 Proudní vzduchu otvory... 11 2.4 Poítaové simulace... 13 2.4.1 Integrovaná poítaová simulace... 13 2.4.2 ESP-r... 13 2.4.3 ESP-r sí proudní (Flow network)... 14 2.4.4 Validace a verifikace programu... 15 2.5 Poítaové simulace a role projektanta... 16 2.6 Legislativa eské republiky a Evropské unie... 17 2.6.1 Prkaz energetické náronosti budov... 17 2.6.2 Kontrola klimatizaních zaízení... 18 2.7 Administrativní budovy v eské Republice... 20 2.7.1 Masivní historické budovy... 20 2.7.2 Budovy s prefabrikovaným pláštm... 21 2.7.3 Pln prosklené plášt... 21 2.7.4 Trendy ve výstavn nových administrativních budov... 22 2.7.5 Typická budova pro srovnávací studie... 22 2.8 Spoteba elektrické energie na chlazení budov... 23 3 Okrajové podmínky... 25 3.1 Klima... 25 3.1.1 Globální oteplování... 25 3.1.2 Klimatické podmínky v eské republice - aplikace pro analýzy... 28 3.1.3 Porovnání klimatických dat... 30 3.2 Tepelná pohoda pi nízkoenergetickém i pasivním chlazení... 31 3.2.1 Standardní hodnocení tepelné pohody... 31 3.2.2 Kategorie vnitního prostedí podle tepelné pohody... 32 3.2.3 Adaptivní model tepelné pohody... 33 3.2.4 Vliv vlhkosti... 37 3.2.5 Vliv stední radianí teploty... 39 3.3 Tepelné zisky... 39 3.3.1 Vnitní zisky... 40 3.3.2 Tepelné zisky z vnjšího prostedí... 46 3.3.3 Závr... 47 Miloš Lain 2007 iv
4 Pasivní chlazení... 48 4.1 Tvar budovy a urbanistické ešení... 48 4.2 Okolí budovy - tepelné ostrovy... 49 4.2.1 Efekt strom a zelen... 51 4.2.2 Význam vodních hladin a fontán... 52 4.3 Tepelná hmota budovy... 53 4.4 Stínní budovy, oken... 54 4.4.1 Slunení geometrie... 54 4.5 Pirozené vtrání... 56 4.5.1 Zásady pro pirozené vtrání administrativních budov... 57 4.6 Závr... 59 5 Nízkoenergetické chlazení... 60 5.1 Noní chlazení... 60 5.1.1 Klimatické podmínky pro noní chlazení v eské republice... 64 5.1.2 Noní chlazení nucené pedbžný návrh... 66 5.1.3 Noní chlazení pirozené pedbžný návrh... 66 5.1.4 Zaízení pro noní chlazení... 67 5.1.5 Stávající realizace... 67 5.1.6 Detailní návrh noního vtrání... 67 5.2 Adiabatické chlazení... 69 5.2.1 Analýza klimatu... 70 5.2.2 Pedbžný návrh adiabatického chlazení... 74 5.2.3 Zaízení pro adiabatické chlazení... 74 5.2.4 Stávající realizace... 75 5.2.5 Detailní návrh adiabatického chlazení... 75 5.3 Sálavé chlazení s akumulaní hmotou... 76 5.3.1 Vodní systém pedbžný návrh... 77 5.3.2 Vzduchový systém pedbžný návrh... 77 5.3.3 Regulace... 78 5.3.4 Zaízení pro sálavé systémy s akumulaní hmotou a jejich uplatnní... 79 5.3.5 Detailní návrh... 79 5.4 Využití chladu zemského polomasivu... 80 5.4.1 Vzduchové zemní výmníky... 80 5.4.2 Zaízení pro využití chladu zemského polomasivu a realizace... 81 6 Pasivní chlazení pípadové studie... 82 6.1 Budova galerie s vysokou tepelnou hmotou budovy... 82 6.1.1 Parametry prostedí bez klimatizace... 83 6.1.2 Mení teplot... 84 6.1.3 Poteba chladu pro klimatizaci galerie... 85 6.1.4 Závr... 85 6.2 Nov stavná budova fakulty architektury... 86 6.2.1 Popis budovy a modelu... 86 6.2.2 Modelované zóny... 87 6.2.3 Výsledky poítaové simulace... 87 6.2.4 Závr... 88 6.3 Pirozené vtrání spojovací lávky administrativních budov... 89 6.3.1 Popis objektu... 89 6.3.2 Model... 91 6.3.3 ešení a výsledky... 91 6.3.4 Závr... 92 6.4 Závr... 93 Miloš Lain 2007 v
7 Adiabatické chlazení... 94 7.1 Pavilon ZOO Indonéská džungle... 94 7.2 Studie použití nepímého adiabatického chlazení... 96 7.2.1 Popis simulaního programu pro nepímé adiabatické chlazení... 96 7.2.2 Simulace nepímého adiabatického chlazení... 97 7.2.3 Výsledky... 98 7.2.4 Závr... 99 7.3 Závr... 99 8 Studie možností noního chlazení v eské republice... 100 8.1 Parametry modelu... 100 8.2 Výsledky simulací... 102 8.3 Závr... 103 9 Administrativní budova se systémem Top-cooling... 105 9.1 Popis budovy... 105 9.2 Pedbžné simulace v rámci projektu... 106 9.3 Mení a monitorování... 107 9.3.1 Mení teploty vnitního vzduchu ti ( C) v prostoru kanceláí... 107 9.3.2 Mení teploty pivádného vzduchu a odvádného vzduchu v kanceláích... 108 9.3.3 Mení rychlosti proudní vzduchu v pivádcích vyústkách... 108 9.3.4 Závry mení objektu... 109 9.3.5 Porovnání teplot... 110 9.3.6 Kontinuální záznamy funkce klimatizaního systému a analýzy funkce systému... 111 9.3.7 Pehled použitých micích pístroj... 112 9.3.8 Závr mení a monitorování... 112 9.3.9 Podklady pro kalibraci modelu... 112 9.3.10 Chyby a nejistoty mených a vyhodnocených hodnot... 113 9.4 Detailní poítaové simulace... 114 9.4.1 Model budovy... 114 9.4.2 Kalibrace modelu... 115 9.4.3 Model systému klimatizace... 118 9.4.4 Simulace chování budovy a systému vtrání a klimatizace... 120 9.4.5 Závr detailních simulací... 123 9.5 Závr... 124 10 Rozsáhlá administrativní budova - SOB Group... 125 10.1 Popis budovy... 125 10.1.1 Technický popis základních ástí VZT systému... 126 10.2 Poítaové simulace... 128 10.2.1 Energetická simulace celé budovy... 128 10.2.2 Energetická simulace vybraných kanceláí... 133 10.2.3 Optimalizace zasklení atrií... 134 10.3 Mení a optimalizace provozu... 137 10.3.1 Optimalizace teploty vzduchu... 137 10.3.2 Mení tepelné pohody osob... 138 10.3.3 Spoteby el. energie... 142 10.3.4 Ovení výkon zdroje chladu... 145 10.3.5 Teploty v atriu... 146 10.3.6 Závr... 148 10.4 Závr... 148 Miloš Lain 2007 vi
11 Návrh systému sálavého chlazení s akumulaní hmotou... 149 11.1 Koncept technické knihovny... 149 11.1.1 Budova - popis... 149 11.1.2 Systém chlazení vytápní a vtrání... 150 11.2 Vtraná dvojitá fasáda... 151 11.2.1 Model... 151 11.2.2 Model proudní... 152 11.2.3 Rozbor výsledk poítaové simulace fasády... 153 11.2.4 Závr simulace dvojité fasády... 156 11.3 Národní technická knihovna - model budovy... 157 11.3.1 Model proudní vzduchu... 157 11.3.2 Vnitní tepelné zátže... 158 11.3.3 Model stropního chlazení... 159 11.3.4 Ovení modelu... 159 11.3.5 Výsledky poítaové simulace... 160 11.3.6 Závr - simulace budovy... 162 11.4 Závr... 163 12 Závry... 164 Litaretura... 168 Miloš Lain 2007 vii
Seznam použitých znaek veliin a...slunení azimut [ ] a...souinitel teplotní vodivosti [m 2 /s] c...mrná tepelná kapacita [J/kg K] c...souinitel sálání erného tlesa [W/m 2 K 4 ] D h...charakteristický rozmr [m] g... celkový initel prostupu slunení energie [-] g... tíhové zrychlení [m 2 /s] h...azimut normály stny [ ] h...entalpie vlhkého vzduchu [J/kg SV ] h c...souinitel pestupu tepla konvekcí [W/m 2 K] h r...souinitel pestupu tepla radiací [W/m 2 K] I...intenzita vtrání [1/h] l 0...výparné teplo [kj/kg] p...tlak [Pa] p d...parciální tlak par [Pa] R...tepelný odpor pi pestupu tepla [m 2 K/ W] r...plynová konstanta [J/kg K] t...teplota [ C] T...absolutní teplota [K] Tu...místní intenzita turbulence [%] q...tepelný tok [W/m 2 ] U... souinitel prostupu tepla [W/m 2 K] w...rychlost [m/s] x...mrná vlhkost [kg/kg SV ] z...svislý rozmr (výška) [m] ecká písmena ε...emisivita šedého tlesa [-] λ...souinitel tepelné vodivosti [W/m K] ρ...hustota [kg/m 3 ] ϕ...relativní vlhkost [%] Miloš Lain 2007 viii
Indexy a operátory...rozdíl i...vnitní p...tlakový d...par a...vzduch...stav sytosti m...prmr s...povrch p...pivádný vzduch Zkratky AC...centrální klimatizaní jednotka DR...stupe obtžovaní prvanem DV...denní vtrání venkovním tepeln neupraveným vzduchem FC...cirkulaní konvektorové jednotky s ventilátorem pro chlazení/ vytápní (Fan Coil) IT...informaní technologie MaR...mení a regulace NV...noní vtrání venkovním tepeln neupraveným vzduchem PMV...stední tepelný pocit PPD...procentuální podíl nespokojených VAV...vzduchový klimatizaní systém s promnným prtokem vzduchu (Variable Air Volume) Miloš Lain 2007 ix
1 Úvod Základním tématem této práce je nízkoenergetické chlazení budov, a to s drazem na administrativní budovy ve stední Evrop, respektive v eské republice. Prvoadým úkolem ped zapoetím ešení jakéhokoli problému souvisejícího s problematikou nízkoenergetického chlazení administrativních budov je najít odpovdi na ti základní otázky. Tyto otázky lze formulovat následovn : Pro bychom se vbec mli daným problémem zabývat, Co máme k dispozici pro ešení tohoto problému a Jak mžeme tyto nástroje použít a pispt k ešení dané problematiky. Na tyto otázky spojené s nízkoenergetickým chlazením se pokusím odpovdt nejen v rámci úvodu, ale prostednictvím celé pedkládané práce. Úvodní otázkou je, pro bychom se mli zabývat nízkoenergetickým chlazením administrativních budov. Dvodem je pedevším nesoulad dvou požadavk kladených na budovy a jejich systémy, který zejména v souasné dob, pedevším vlivem globálního oteplování, nabývá na aktuálnosti a závažnosti. Na jedné stran dochází ke stále zvyšujícím se požadavkm na kvalitu vnitního prostedí a souasn je však teba hledat zejména v souvislosti s ochrannou životního prostedí a myšlenkou trvale udržitelného rozvoje jiné, alternativní prostedky k dosažení tepelné pohody osob. Nkteré publikace dokládají až 20% nárst produktivity práce pi zajištní optimálních teplotních podmínek pracujících osob. Jako pracovní prostedek se stále astji a ve vtší míe používají výpoetní a další kanceláské techniky. To má za následek zvyšování tepelných píkon vybavení kanceláí. To spolu s výraznjšími teplotními extrémy v posledních letech vede k tomu, že je klimatizace respektive chlazení kanceláských prostor považováno pro nov stavné, ale i rekonstruované budovy za standard. Souasn je však teba se pizpsobovat aktivitám a trendm spojených s ochranou životního prostedí, které zakazují používání vtšiny doposud bžných chladiv vzhledem k jejich pímým negativním úinkm na ozónovou vrstvu a nebo na skleníkový efekt. Naprostá vtšina chladivových systém používá ke svému pohonu elektrickou energii. Pi výrob el. energie v tepelných elektrárnách vzniká oxid uhliitý, který výrazn negativním zpsobem ovlivuje skleníkový efekt a pispívá ke globálnímu oteplování. Krom toho je nutné se ve stále vyšší míe vážn zabývat otázkou trvale udržitelného rozvoje. Trvale udržitelný rozvoj ve stavebnictví a souvisejících profesích znamená hledání takových ešení, která nabízejí nejen minimální spoteby energie bhem provozu, ale jsou i co nejjednodušší tak, aby i pi jejich výrob bylo spotebováváno minimum energie a surovin. Toto kriterium však nespluje vtšina pokroilých strojních zaízení, mezi která patí jak kompresorové chlazení, tak i nkteré jeho alternativy. Cílem tedy je nalézt takové systémy, které zajistí tepelnou pohodu v budovách a zárove budou znamenat minimální zatížení životního prostedí, a už energií vloženou do jejich výroby, výstavby a následné údržby, ale zejména spotebou na samotný provoz daného zaízení i systému apod. Miloš Lain 2007 1
Jako velmi efektivní se z tohoto pohledu jeví práv nízkoenergetické systémy chlazení budov, které by mly splovat oba výše zmínné požadavky. I když bylo ve svt vydáno již nkolik rozsáhlejších publikací zabývajících se práv problematikou nízkoenergetických systém chlazení (IEA 1995 a další), stále není úpln jasná jejich klasifikace a tídní. V eštin není dosud používána ani jednotná terminologie. asto se setkáváme s pojmem alternativní chlazení. Alternativní chlazení zahrnuje alternativy (jiná ešení) ke klasickému chlazení, ale asto jsou pod tento pojem zahrnovány i alternativní chladicí obhy i dokonce používání alternativních chladiv. Nízkoenergetické systémy jsou také spjaty se systémy s nízkou energií, resp. využíváním vysokoteplotního chlazení. Další pojem, který se váže k nízkoenergetickému chlazení, je chlazení pasivní, které zahrnuje pedevším návrh budov s minimálními tepelnými zisky, ale i využívání pirozených zpsob odvodu tepelné zátže systémy. Mezi nízkoenergetické systémy chlazení patí pedevším: Adiabatické chlazení vzduchu (pímé, nepímé nebo s využitím sorpních výmník) Noní vtrání (pirozené i nucené) Chlazení sálavé s akumulaní hmotou (chlazení stavebních desek vodou nebo vzduchem) Chlazení využívající chladu ze zemského polomasivu Systémy pro distribuci vysokoteplotního chlazení (sálavé panely, vytsovací vtrání) Pedkládaná práce se bude zabývat pedevším rozborem a aplikací tchto metod prvních tí metod a jejich uplatnním pro kanceláské budovy a pasivním chlazením. Jak tedy systémy nízkoenergetického chlazení používat a jak je navrhovat. Pro vtšinu odborník zabývajících se klimatizací budov nejsou výše zmiované systémy žádnou novinkou. Vždy noní vtrání a adiabatické chlazení mají pomrn dlouhou tradici, byly známy a využívány již ped více než tisíci lety. Velká ást odborník je však pesvdena, že tyto systémy nemohou v nových nebo rekonstruovaných budovách najít své uplatnní. Navíc existuje i ada argument, které tento názor podporují. Chceme-li totiž navrhnout budovu a systém využívající práv tyto již dávno známé a velmi staré principy chlazení tak, aby splovaly požadavky kladené na vnitní prostedí nynjších kanceláí, jsme nuceni používat velmi nároné metody a výpoty. Krom toho vtšina nízkoenergetických systém vyžaduje velmi úzkou spolupráci od první koncepce budovy (architekt) až po závrené uvádní budovy a systému do provozu a nastavení regulace, což je ve stávajícím systému projektování a zadávání zakázky v eské republice tém nemožné. Návrh vtšiny nízkoenergetických systém vyžaduje hlubší znalosti o chování budovy a systému, podrobné analýzy klimatických dat a asto i další informace. Pedbžné koncepce a návrhy systém lze provádt na základ doporuení vycházejících z klimatu v dané oblasti, fyzikálních princip systém nízkoenergetického chlazení a dosavadních zkušeností. Základním nástrojem pro detailní návrh tchto systém jsou pedevším poítaové simulace. Ty slouží jak pro návrh a optimalizaci konkrétních budov a systém, tak pro obecné analýzy. Miloš Lain 2007 2
V rámci této práce bude formou pípadových studií prezentováno nkolik detailních rozbor nízkoenergetických systém chlazení budov. Pro konkrétní budovy byly zpracovány detailní poítaové simulace vetn kalibrací, mení a optimalizace regulace systému. V této práci je používán jako základní pojem nízkoenergetické chlazení. Jedná se o peklad anglického velmi frekventovan užívaného pojmu lowenergy cooling. Tento pojem zahrnuje urité alternativy ke strojnímu standardnímu chlazení budov, pípadn ke standardnímu návrhu systému chlazení, které by mly vést k nižší spoteb energie a zárove zajistit tepelnou pohodu. 1.1 Cíle práce Cílem disertaní práce je posoudit možnosti využití nízkoenergetického a pasivního chlazení budov v eské republice. Dalším cílem je poskytnout pehled metod pro pedbžný a detailní návrh tchto systém. Práce se soustedí pedevším na metody využívající interakce budovy, systému vtrání, pípadn klimatizace a klimatických podmínek. Jsou to metody pasivního chlazení, noního vtrání, adiabatického chlazení a sálavého chlazení s akumulaní hmotou. Draz je kladen na administrativní budovy a jako reprezentativní lokalita s nejvtším potem administrativních budov je zvolena Praha. V této práci není ešen odvod tepelné zátže od IT technologické chlazení a klimatizace v administrativních budovách, mezi které je zahrnut i odvod tepelné zátže od IT, jež jsou nezbytnou souástí každé moderní administrativní budovy. 1.2 Metody V práci byly použity tyi základní metody. Jsou jimi rešerše a vyhodnocení rozsáhlých zahraniních výzkum a zkušeností. Dále byly provedeny analýzy a syntézy okrajových podmínek a posouzení použitelnosti princip nízkoenergetického chlazení v našich klimatických podmínkách. Pro detailní ešení vybraných pípadových studií je pak použito poítaové simulace energetických bilancí budov. Poítaové simulace jsou doplnny o nkterá mení a monitorování sloužící ke kalibraci model a upesnní okrajových podmínek. 1.3 Struktura a lenní disertaní práce Pedkládaná disertaní práce má pomrn široký zábr. Jednotlivé metody nízkoenergetického chlazení využívají rozdílných fyzikálních princip, což souvisí i s rozsahem jejich teoretických základ. Vzhledem k tomuto širokému zábru a množství studií a rozbor zpracovávaných v prbhu pomrn dlouhého asového období ešení této problematiky, je ada studií a rozbor prezentována velmi strun s odkazem na detailní výzkumné zprávy a publikace autora. Podobn bylo v rámci této disertaní práce využito i dílích výsledk i závr nkterých diplomových prací zabývajících se Miloš Lain 2007 3
touto problematikou, které vznikly pod vedením autora disertaní práce a na kterých se autor sám výrazn podílel. V souvislosti s tím, že je v této práci ešeno množství samostatných problém, nebylo možné pesn lenit jednotlivé kapitoly na popis stávajícího stavu ešené problematiky, teoretický základ a vlastní ešení, analýzy a závry. Pesto je však tento pístup k ešení problematiky dodržován, avšak v nkterých pípadech až na úrovni jednotlivých témat (kapitol). Disertaní práce je rozdlena celkem do 12 kapitol. V první kapitole, následující po úvodu (kapitola 2) jsou prezentovány výsledky rešerší a stanovení obecných okrajových podmínek pro ešení problematiky nízkoenergetického chlazení. V následující kapitole. 3 pokraují definice okrajových podmínek, které jsou již doplnny o analýzy a nástroje vztahující se k podmínkám eské republiky, znaná ást této kapitoly už je vlastní prací autora. V následujících kapitolách (4 a 5) jsou prezentovány výsledky rešerší a vdecké analýzy pro jednotlivé základní metody pasivního a nízkoenergetického chlazení, a to vetn podklad pro pedbžné dimenzování jednotlivých metod nízkoenergetického chlazení a posouzení jejich aplikovatelnosti u nás. V kapitolách 6 až 11 jsou následn prezentovány konkrétní pípadové studie zpracované metodou poítaových simulací. Tyto studie ilustrují na píkladech ešení reálných problém skutených staveb vhodnost metody poítaových simulací pro detailní návrhy systém nízkoenergetického chlazení, pípadn prezentují obecné rozbory pro typové stavby. Kapitola 6 strun shrnuje poítaové simulace budov s prvky pasivního chlazení, je to budova galerie s velkou tepelnou hmotou (kap. 4.3), pedbžná studie pro nov stavnou administrativní budovu s pasivním chlazením a studie ešící pirozené vtrání a odvod teplené zátže spojovací lávky administrativních budov. Kapitola 7 strun prezentuje výsledky poítaových simulací pro uplatnní adiabatického chlazení. Kapitola 8 obsahuje výsledky obecné studie, která na vybrané typické kancelái posuzuje možnosti použití noního chlazení pro administrativní budovy. Kapitola 9 prezentuje velmi rozsáhlou studii v rámci které byl na základ mení a monitorování, zpracován detailní model chování administrativní budovy s kombinací noního a strojního chlazení. Tento detailní model byl použit pro optimalizaci provozu budovy. Kapitola 10 prezentuje optimalizaci velmi rozsáhlé administrativní budovy s prvky nízkoenergetického chlazení jak poítaovou simulací, tak pi uvádní do provozu, kdy byla monitorováním a mením ovena rozhodnutí provedená na základ poítaových simulací. Pípadová studie v kapitole 11 eší poítaovou simulací stropní sálavé chlazení s akumulaní hmotou pro práv stavnou budovu. Poslední kapitolou je závr, který shrnuje výsledky celé disertaní práce. Miloš Lain 2007 4
2 Podklady pro ešení nízkoenergetického chlazení V této ásti práce jsou shrnuty základní podklady pro ešení nízkoenergetického a pasivního chlazení. Jednotlivé podkapitoly nabízejí jak teoretické podklady pro ešení systém, tak okrajové podmínky a podklady pro posuzování a optimalizaci ešení. 2.1 Historie Principy nízkoenergetického chlazení mají pomrn dlouhou tradici. Nejedná se tedy o žádnou novinku. Prezentované metody byly ve velké míe využívány zejména v období ped rozšíením kompresorového chlazení a klimatizace. ada historických budov doposud uspokojiv funguje bez strojního chlazení. V historických budovách byly používány prvky pasivního chlazení (vnjší stínní, žaluzie, tžké konstrukce), pirozené vtrání ( okny, vtracími šachtami apod.). Pozdji našlo své využití adiabatické chlazení i zemní výmníky ve spojení s nuceným vtráním. Zajímavým píkladem historických chladících systém jsou napíklad divadla, která byla vybudována koncem 19. století firmou Fellner & Helner (viz Kaiser 2003). Tento systém byl založena na nuceném pívodu vzduchu, bylo využíváno i pirozeného proudní a komínového tahu vznikajícího nad lustrem osazeným svíkami. Pivádný vzduch byl v zimn ohíván kalorifery a v lét chlazen odpaováním vody (adiabatické chlazení). Obr.2.1: Schéma vtrání divadla (vlevo), odvodní otvor nad lustrem divadla v Karlových Varech (vpravo nahoe), pvodní zdná vlhící komora divadla v Litv (vpravo dole) Miloš Lain 2007 5
2.2 Sdílení tepla pi nízkoenergetickém chlazení Obecn mže být teplo sdíleno vedením (kondukce), pestupem (konvekce) a sáláním (radiace). Základní principy sdílení tepla jsou všeobecn známé a jsou publikovány krom jiného ve výukových textech (Hemzal 2007, Nový 2000, Sazima 1989). Pi ešení nízkoenergetického chlazení je hlavním problémem poteba paralelního výpotu nestacionárního vedení tepla ve stn s okrajovou podmínkou danou pestupem tepla mezi vzduchem a stnou a bilancí sálavých tepelných tok. 2.2.1 Vedení tepla ešení vedení tepla vychází z Fourierovy rovnice popisující nestacionární penos tepla bez uvažování vnitních zdroj : 2 2 2 t t t t = a + + 2 2 2 τ x y z kde a = λ...2.1 ρ c Pro stny vtšinou vycházíme z jednorozmrného vedení tepla 2 t t = a...2.2 2 τ x Existují ti základní zpsoby ešení této rovnice. Zjednodušené stacionární ešení využívá známou a hojn používanou rovnici vedení tepla rovinou i válcovou stnou. Druhou variantou jsou analytická, nestacionární ešení pi idealizovaných okrajových podmínkách skokové zmny teploty nebo periodické zmny teploty (Sazima 1989, Hemzal 2007). Výsledky analytických ešení byly aplikovány pro zjednodušené pípady ešení nestacionárního vedení tepla (Chyský 1995, SN 730548). Tetí metodou je numerické ešení diskretizací promnných na soustavu lineárních algebraických rovnic. Pro ešení rovnice 2.2. lze použít metody konených diferencí (Dunovská 1999). Toto ešení využívají simulaní programy. V programu ESP-r je každá vrstva ve stn reprezentována temi uzly, z nichž prostednímu je piazena polovina hmoty (tloušky) vrstvy a okrajovým uzlm tvrtina. Okrajové uzly pak navazují na okrajové podmínky definované další vrstvou nebo pestupem tepla na povrchu stny. Detailní popis numerického ešení nestacionárního vedení tepla ve stnách lze nalézt v ad publikací (Clarke 1985, Nakhi 1995, Dunovská 1999). Obr. 2.2: Diskretizace.vedení tepla ve stn v programu ESP-r (Nakhi 1995) Miloš Lain 2007 6
2.2.2 Konvekce Pi pestupu tepla konvekcí dochází k pedávání tepla mezi tekutinou a pevnou stnou. Konvekce mže být volná (vyvolaná vztlakovými silami, které vznikají pi rozdílu tíhy), vynucená (vyvolaná vynuceným proudním tekutiny, nap. proudním vzduchu v prostoru) a kombinovaná. Kombinovaná konvekce se uplatuje tam, kde jsou soumitelné vztlakové a setrvaní síly) (Hemzal 2007). Pi volné konvekci je souinitel pestupu tepla funkcí rozdílu teplot povrchu a tekutiny (Obr. 2.3). Pi vynucené konvekci závisí souinitelé pestupu tepla pedevším na rychlosti proudní. Ve vtšin pípad vtraných prostor se jedná o kombinovanou konvekci, kde jsou souinitele pestupu tepla závislí na obou parametrech. Vztahy pro výpoet souinitel pestupu tepla konvekcí jsou dobe popsány (Hemzal 2007). Disertaní práce Vladimíra Zmrhala nabízí velmi detailní analýzu rzných vztah pro výpoet souinitele pestupu tepla (Zmrhal 2005). Konkrétní vztahy v simulaním používané programu ESP- r, vetn vztah pro kombinovaný pestup tepla v místnostech s nuceným vtráním, lze nalézt v disertaní práci Iana Beausoleil-Morrisona h c Obr. 2.3: Porovnání souinitel pestupu tepla volnou konvekcí svislé stny podle rzných autor (Zmrhal 2005) (Beausoleil-Morrison 2000). Základní souinitele pestupu tepla v programu ESP-r vycházejí ze vztah pro místnosti bez intenzivního vnitního proudní. Rozšíené souinitele pestupu tepla konvekcí lze aplikovat i v pípadech nuceného vtrání. Napíklad standardní vztah pro urení souinitele pestupu tepla stropu je: 0,17 h c = 3 10 t...2.3 Rozšíený vztah pro smšovací vtrání (Beausoleil-Morrison 2000) je potom: 1 6 3 6 1 4 1 6 3 T 1,4 + 1,63 T Dh h c =...2.4 3 0,8 T S Tp I + 0,166 + 0,484 T z 1 3 Miloš Lain 2007 7
2.2.3 Sálání Základní rovnice pro ešení penosu tepla sáláním je Stefan-Boltzmannv zákon. Rovnici záení šedého tlesa lze zapsat ve tvaru: 4 T 100 qr = c ε...2.5 kde je c...souinitel sálání erného tlesa 5,67 [W / m 2 K 4 ] ε...emisivita šedého tlesa [-] Τ...absolutní teplota [K] Z této rovnice pak vychází další ešení penosu tepla sáláním i detailní poítaové simulace (Zmrhal 2005, Clarke 1985). Vzhledem k tomu, že emisivity materiál mohou být rzné v závislosti na vlnových délkách, je pi detailním ešení nutno samostatn ešit vysokoteplotní sálání (zisky slunení radiací) a samostatn nízkoteplotní sálání (sálání stn, osob apod.). Pi zjednodušených výpotech se vtšinou definuje souinitel pestupu tepla radiací ( h r ). A pro výpoet sdílení tepla radiací se vychází ze vztahu: q R = h R t...2.6 Miloš Lain 2007 8
2.3 Pirozené proudní Pro pirozené proudní budovou existují dva zdroje tlaku. Jedná se o rozdíl mrných tíh teplejšího a chladnjšího vzduchu (vtšinou mezi vnitním a vnjším prostedím), který zpsobuje rozdíl hydrostatických tlak sloupce vzduchu. Dále je to psobení setrvaných sil vtru na budovu. V dsledku takto vzniklých tlakových rozdíl dochází k proudní vzduchu otvory v budov. ást tlakové energie se mní na kinetickou energii vzduchu protékajícího budovou a ást slouží pro pokrytí tlakových ztrát otvor a šachet. Základem pro ešení pirozeného proudní je Bernoulliova rovnice (Hemzal 2007) : 2 p z y + + = konst...2.7 ρ g 2 g 2.3.1 Proudní vlivem rozdílných hustot Rozdíl tlaku vzniklý mezi dvma sloupci vzduchu o rozdílné hustot (teplot) lze odvodit z rovnice 2.8 (Nový 2000): h ( 1y 2 y ) p = p1 p2 = g ρ ρ dz...2.8 0 Uríme-li ze stavové rovnice závislost hustoty na teplot, pak lze za pedpokladu stálých teplot (kdy je prbh tlaku lineární) odvodit rovnici pro rozdíl tlak pro pirozené vtrání: p = p 1 p 2 p 1 1 = g z ρ...2.9 ( ) 1 ρ 2 = g z r T1 T2 Tyto vztahy jsou základem pro ešení vtrání vlivem rozdílu teplot venkovního a vnitního vzduchu. Vztah 2.8 je základem numerického ešení pi poítaových simulacích a vztah 2.9 se používá pi zjednodušeném ešení. Základní parametry ovlivující tlakový rozdíl, a tím i následné množství vtracího vzduchu, jsou výška budovy a rozdíl vnitní a vnjší teploty. 2.3.2 Tlakový rozdíl vyvolaný úinky vtru Pozitivní tlak, nebo-li petlak, je vytváen na návtrné stran budovy, která je vystavena pímému úinku vtru. Podtlaková oblast se formuje na protjší, závtrné stran a na boních stnách budovy. Takto vyvolaný tlakový rozdíl má za následek proudní vzduchu pes vnitní prostory budovy tak, že pívodní otvory jsou v míst obvodového plášt s petlakem a odvodní otvory v míst s podtlakem. Velikost tlaku okolního vzduchu na uritou ást obvodového plášt je dána následujícím vztahem: p w 2 C p ρ w = [Pa]...2.10 2 C p.. tlakový koeficient [-] ρ. hustota okolního vzduchu [kg/m 3 ] w rychlost vzduchu nabíhajícího na budovu [m/s] Miloš Lain 2007 9
Tabulka 2.1: Konstanty pro výpoet rychlostních profil vtru (Allard 2002) Charakteristika okolního terénu K a z 0 d α g Otevená krajina 0,68 0,17 0,03 0,00 1,00 0,15 Krajina s osamocenými vtrolamy 0,52 0,20 0,10 0,00 1,00 0,15 Vesnice 0,52 0,25 0,50 0,7h 0,85 0,2 Msto 0,35 0,25 1,00 0,8h 0,67 0,25 Velkomsto 0,21 0,33 >2,0 0,8h 0,47 0,35 Rychlost vtru se vypoítá z funkní závislosti a rychlosti dané meteorologickým mením. Mení rychlosti se provádí v pevné výšce 10 m nad okolním terénem.vítr v této výšce se v meteorologii nazývá,,pízemní. Pro získání hodnoty aktuální rychlosti vtru, je nutné do výpotu zahrnout výšku a terénní nerovnosti, které obklopují budovu proti smru vtru. Souasn je teba vypoítat aktuální rychlost vtru w psobícího na jednotlivé ásti budovy. Existuje celá ada vztah pro výpoet profilu vtru podle výšky. Nejednodušší je vztah založený na prinicipu zachování energie : w = K z w 10 a...2.11 z.. svislá vzdálenost od zemského povrchu, ve které je rychlost zjišována [m] w 10 rychlost vtru dle meteorologických dat [m/s] K... konstanta závislá na terénních nerovnostech [-] a... exponent závislý na terénních nerovnostech [-] asto se používá i logaritmický rychlostní profil založený na logaritmické závislosti rychlosti vtru na svislé vzdálenosti od zemského povrchu (Allard 2002): w w l m w = w *, l *, m zl d l ln z0, l zm d ln z0, m m kde: w w *, l *, m z = z 0, l 0, m 0,1...2.12 z... svislá vzdálenost od zemského povrchu, ve které je rychlost zjišována [m] w... rychlost vtru dle meteorologických dat [m/s] z 0... terénní nerovnost [m] d... terén nahrazující délka [m] index m znamená, že hodnota je vztažená na podmínky, pi nichž byla meteorologická data zjištna 2.3.3 Tlakový koeficient C p Tlakový koeficient je empiricky odvozený parametr pro urení tlaku psobícího na budovu, jenž je zpsoben vlivem vtru. Tlakový koeficient zahrnuje vliv pekážek obklopujících budovu. Hodnoty koeficientu se mní v závislosti na smru vtru, orientaci plochy budovy a terénních nerovnostech proti smru vtru. Hodnotu koeficientu lze získat experimentáln (mením na modelu), poítaovou Miloš Lain 2007 10
simulací proudní vzduchu kolem budovy (CFD) a pro nkteré základní konfigurace i analyticky výpotem z odvozených vztah. Analytický model (Grosso1992) je založen na parametrické analýze výsledk z dvojího mení v aerodynamickém tunelu. Skládá se z množství vztah mezi tlakovým koeficientem odvozeným z modelu budovy obdélníkového tvaru a množstvím ovlivujících parametr. Tyto parametry lze rozdlit do tí skupin. První skupinu pedstavují klimatické parametry (exponent rychlostního profilu vtru, úhel výskytu vtru); druhou skupinu tvoí parametry venkovního prostoru (hustota zástavby okolo budovy, relativní výška okolních budov vi budov ešené, piemž se pi výpotu pedpokládá, že obklopující budovy jsou pravidelné kvádry o stejné výšce). Tetí skupinu pedstavují geometrické parametry budovy. Prbh tlakových koeficient pro jednotlivé body strany 2 v závislosti na úhlu vtru Tlakový koeficient - Cp [-] 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8 xl-relativní pozice na ploše 0,06 0.17 0.28 0.39 0,5 0.61-1.0-1.2-1.4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 0,72 0,83 0,94 Úhel vtru od normály - [ ] Obr. 2.4: Ukázka prbhu tlakových koeficient vtru (Honc 2001) 2.3.4 Proudní vzduchu otvory Pro pirozené vtrání je rozhodující tlakový rozdíl psobící na otvor v plášti budovy. Dispoziní tlak daný soutem tlakových úink rozdílných hustot a tlakových úink vlivem vtru se rozdlí na jednotlivé tlakové odpory (pívodní otvor, vnitní propojení a odvodní otvor). Pi pirozeném vtrání budov se nejastji vyskytují ti typy otvor (Hensen 1991): Štrbiny (typický rozmr menší než 10 mm), pro které platí rovnice m = C l ( p) n...(2.13) m. prtok štrbinou [kg/s] p tlakový rozdíl na otvoru [Pa] l. délka štrbiny [m] n.. prtokový exponent [-] C.. prtokový koeficient [kg s -1 m -1 Pa -n ] Miloš Lain 2007 11
Miloš Lain 2007 12 Hodnota prtokového exponentu n závisí na režimu proudní a je n = 0,5 pro pln turbulentní proudní a n = 1,0 pro laminární proudní. V praxi se hodnoty prtokového exponentu pohybují v rozmezí od 0,6 do 0,7. Rozlehlé otvory (typický rozmr vtší než 10 mm) p A C m d = ρ 2...(2.14) Otvory s obousmrným proudním definovaný podle Cockrofta (nap. dvee) = = + = = e i a a t t r b t r a t b a d T T r H p g C C H H p C p C H H C C C C H W C m 1 1 1 kde 2 3 2 2 3 2 3 2 1 ρ ρ...(2.15) C d......výtokový souinitel [-] A...plocha otvoru [m 2 ] ρ...hustota vzduchu [kg/m 3 ] p...rozdíl tlak [Pa] H...výška otvoru [m] Hr...referenní výška [m] r a...plynová konstanta suchého vzduchu [287,1 J/kgK] p a...atmosférický tlak [Pa] g...tíhové zrychlení [m/s 2 ] T...absolutní teplota vzduchu [K]
2.4 Poítaové simulace Základním nástrojem pro ešení detailního navrhování a optimalizaci systém nízkoenergetického chlazení jsou poítaové simulace. 2.4.1 Integrovaná poítaová simulace Poítaová simulace je jednou z nejnáronjších metod pro posouzení chování budov a systém techniky prostedí, kterou lze uplatnit pi detailním návrhu klimatizaních zaízení nebo posouzení pasivního chlazení (Lain 1999, Barták 2001, Drkal 2001). Od standardních návrhových postup se liší pedevším kompletním zahrnutím dynamiky chování budovy a systému. Práv to je dvod vhodnosti užití této metody pro ešení systém s vysokou akumulací (Obr. 2.5). Hlavní nevýhodou poítaových simulací jsou výrazn vyšší nároky pi sestavování modelu a zpracování výsledk vlastní simulace. Nároky jsou kladeny jak na množství a kvalitu vstupních informací a použitou výpoetní techniku, tak na odbornou zpsobilost osob ešících daný problém. Na druhé stran je však nespornou pedností simulace velmi detailní analýza a možnost porovnání nkolika variant ešení. Integrovaná simulace nepracuje pouze s budovou, ale zahrnuje i chování systém s budovou spojených (vytápní, vtrání a klimatizace), zdroj energie a navíc zohleduje i zmny vnitních i venkovních podmínek. Vzhledem k tomu, že výsledky poítaové simulace jsou velmi podrobné, lze je asto použít i k vyhodnocení dalších parametr (napíklad parametr tepelného komfortu). 2.4.2 ESP-r Pro integrované poítaové simulace bylo použito simulaní prostedí ESP-r (Environmental System Performance research). Tento program byl vyvinut na University of Sthratclyde v Glasgow a pedstavuje komplexní nástroj pro poítaové simulace budov a ásten i systém techniky prostedí. Program je celosvtov hojn užíván a uznáván a spolu s programem EnergyPlus (DOE) ho lze nazvat základním nástrojem pro ešení energetických bilancí budov. Obr. 2.5: Schéma integrované poítaové simulace Program ESP-r je založen na komplexním numerickém ešení všech energetických tok v budov a systému. Prostedí programu je graficky orientované a obsahuje i podklady o klimatu a stavebních konstrukcích. Výpoty zahrnují stínní, spektrální a úhlové zohlednní optických vlastností oken, urení parametr komfortu, modelování proudní vzduchu a jiné. Program je uren pedevším pro výzkum. Z tohoto dvodu je také hlavní draz kladen na exaktnost a možnost nastavení okrajových podmínek výpot. Poítaová simulace vychází z ešení energetických bilancí jednotlivých zón. Miloš Lain 2007 13
Každá zóna je ohraniena stavebními konstrukcemi. V celé zón se pedpokládá konstantní teplota vzduchu. Základem pro výpoet je model budovy, který popisuje geometrii a detailní tepeln technické vlastnosti jednotlivých stn, jejich vrstev a povrch. U prsvitných konstrukcí se definují pohltivosti a odrazivosti jednotlivých vrstev v závislosti na úhlu dopadu sluneního záení. Vnitní zisky jsou definovány bu jako celkové ve W nebo mrné ve W/m 2. Definován je i pomr sálavé a konvektivní ásti tepelných zisk. Dalším dležitým parametrem simulace jsou tepelné toky zpsobené proudním vzduchu. Ty lze definovat jako asový prbh intenzit vtrání, pípadn prtok vzduchu pivedeného z jiné zóny. Prbh intenzity vtrání lze definovat i jako sí ešící proudní vzduchu (flow network) a tu sí následn propojit s danou zónou. Podobným zpsobem je možné definovat i sí tepelných tok reprezentující klimatizaní i vytápcí systém. Simulace vychází z hodinových klimatických dat.pro budovu se simulace vtšinou provádí v hodinovém kroku, a to bu z vybraného asového období nebo se využívá referenní rok odpovídající pro dané místo. Zónová metoda simulace vychází z pedstavy budovy jako souboru koneného potu ohraniených makroskopických zón, které se vzájemn liší velikostí a vnitními podmínkami (ESRU 2001, 2002). Každá zóna se chová jako dokonale promíchávaná nádoba tzn., že její vnitní prostedí je teplotn a vlhkostn homogenní. Teploty vzduchu a stn v zónách se mohou mnit s asem. Mezi jednotlivými zónami navzájem nebo mezi zónami a okolím je možná výmna energie (vedení, proudní a sálání tepla) a výmna hmoty (proudní vzduchu). Poítaová simulace objektu poskytuje pedpov tepelných ztrát, tepelných zátží, parametr vnitního prostedí (vetn teploty povrch stn) a spoteby energie jak na vytápní, tak chlazení, a to pro jednotlivé zóny i pro simulovaný objekt jako celek. Nutnou podmínkou pro získání relevantních výsledk je zadání prbhu venkovních klimatických podmínek (obvykle s hodinovým asovým krokem). Pro daný okamžik je v celé zón pouze jedna reprezentativní hodnota teploty vzduchu. Každá stna jakékoli zóny má jedinou povrchovou teplotu, piemž teploty jednotlivých stn v jedné zón se mohou navzájem lišit. Z principu zónové metody plyne, že není možné vystihnout nkteré detaily týkající se sledované zóny. Napíklad není možné pozorovat obrazy proudní podél stn, lokální vliv tepelných most, rozložení teplot vzduchu v prostoru apod. 2.4.3 ESP-r sí proudní (Flow network) Pro simulaci proudní mezi zónami v budov i mezi zónou a okolím (venkovním prostedí) slouží modul programu ESP-r - tzv. sí proudní (flow network). Modul využívá uzlovou sí (Obr. 2.6). Jednotlivé uzly (nod) jsou propojeny (connection) pes pedem definované komponenty (component). Metoda ešení prtok vzduchu je založena na principu rovnice kontinuity a Bernouliho rovnice v tlakové form. Jednotlivé tlakové uzly mohou být navázány na uritou zónu nebo mohu mít formu Miloš Lain 2007 14
okrajových podmínek, a to bu vnjšího prostedí s urením orientace a tlakového souinitele vtru, pípadn konstantních tlakových pomr. Každá komponenta (component) má definovanou závislost tlakových ztrát a prtoku vzduchu (Hensen 1991). Spojení Uzel Komponent a Uzel Obr. 2.6 : Schéma propojení sít proudní nahoe celá sí (Hensen 1991), dole detail jednoho spojení 2.4.4 Validace a verifikace programu Tato práce si v žádném pípad neklade za cíl jakoukoli validaci (ovení platnosti) nebo verifikaci (ovení správnosti) programu ESP-r. Validace i verifikace programu byly provedeny v rámci ady mezinárodních projekt a výzkumných prací. Pi správném použití a zadávání vstup lze výsledky získané simulací v programu ESP-r považovat za správné. Validace programu zahrnovaly pedevším následující oblasti: Rešerše použitých teorií; Kontrola programování; Analytické ovování; Vzájemné srovnávání program; Porovnávání simulovaných a experimentáln zjištných hodnot. Strachan (2006) zmiuje 21 nejrozsáhlejších validaních a verifikaních projekt a 8 základních PHD prací zabývajících se ovováním a dalším vývojem programu. ESP-r bylo zahrnuto do všech program Mezinárodní energetické agentury (IEA anex 1,4,10,21, IEA task 8,22) zabývající se poítaovými simulacemi. ESP-r slouží i v ad pípad jako referenní model pro ovování dalších program. Na správnost výsledk mají velký vliv vstupní hodnoty a správné použití programu. Pro program ESP-r není zatím zaveden jednotný systém validace uživatel. Základem krokem k jakési validaci uživatel programu ESP-r jsou kurzy, školení a rovnž individuální konzultace. Autor této práce absolvoval základní a následn i pokroilý kurz již v roce 1996, a to pímo na vývojovém pracovišti programu (ESRU Unit, Mechanical Engineering Faculty, University of Strathclyde). Autor práce s tímto pracovištm spolupracoval i na nkolika dalších výzkumných projektech. Jedny z nejnáronjších simulací (viz pípadová studie v kap. 9) byly zpracovány v prbhu roku 2003 bhem druhé stáže na pracovišti této univerzity. Miloš Lain 2007 15
2.5 Poítaové simulace a role projektanta Každý projektant provádí uritou optimalizaci ve všech stupních projektové dokumentace a snaží se navrhnou takový systém, který co nejlépe zajistí kvalitní prostedí a zárove bude mít minimální spoteby energie. Tato role projektanta je však velmi komplikována stávajícím standardem, kdy je obvykle každý stupe projektové dokumentace zpracováván jiným subjektem. Situaci navíc komplikuje skutenost, že spolupráce jednotlivých profesí je asto velmi omezená i problematická. V situaci takto komplikovaného postupu je pro koordinaci a penos myšlenek a idejí dležitá role investora a odborného konzultanta. Podobný problém nastává v pípad doplnní projektu o odborné studie. Detailní studie a poítaové simulace se používají vtšinou pro vyešení konkrétního dílího problému. Detailní poítaové studie však mají velký potenciál i pro další stupe, a to pi optimalizaci v rámci komplexního pístupu k projektování výstavby a uvádní budovy a systému do provozu. Využití poítaových simulací v projektování systém vtrání a klimatizace budov mže být velmi rozmanité a široké. Simulace se mohou uplatnit od prvních koncepních rozhodnutí až po finální optimalizace provozu. V procesu projektování a výstavby vzniká znaný rozpor v požadavcích a použitelnosti simulací (Hopfe 2006). V poáteních stádiích dochází k nejdležitjším projekním rozhodnutím a výsledky poítaových simulací by byly pro projektanta jednoznan velmi užitené. Nicmén v této poátení etap souasn není ješt dostatek informací, které jsou pro detailní poítaovou simulaci podmínkou. Naopak ve stádiu, kdy je k dispozici již dostatené množství podklad pro detailní poítaové simulace, je budova a systém tém navržena a tvrí proces ukonen (Obr 2.7). zkušenosti a znalosti použitelnost simulací tvrí proces Obr. 2.7: Schéma použitelnosti simulací a tvrího procesu projektant (Hopfe 2006) Miloš Lain 2007 16
2.6 Legislativa eské republiky a Evropské unie Legislativa v eské republice se již léta zabývá spotebou energie pro vytápní budov. Spoteba energie na chlazení budov však zstávalo po dlouhou dobu ponkud opomenuto. Impulsem, kterým se i chlazení stalo pedmtem zájmu a zaalo se zaleovat do našich zákon, je proces probíhající v Evropské unii. Jedná se o proces oznaovaný EPBD (Energy Performance Building Directive), jehož cílem je snížení veškeré energetické spoteby budov. V rámci EPBD vznikl soubor požadavk a doporuení pro energetické hodnocení budov (smrnice 2002/91/ES o energetické náronosti budov). lenské státy EU se zavázaly tyto požadavky týkající se energetické spoteby budov pijmout a implementovat do vlastních zákon a vyhlášek. V tomto souboru je energetické hodnocení budov (energetický štítek), které má zahrnovat krom jiného i spoteby energie na chlazení. Dále se jedná o požadavek na provádní inspekcí klimatizaních zaízení o jmenovitém výkonu vtším než 12 kw. Energetickou náronost budov upravuje Zákon. 177/2006 Sb., kterým se mní zákon. 406/2000 Sb. o hospodaení energií ve znní pozdjších pedpis. 2.6.1 Prkaz energetické náronosti budov Dne 1. 7. 2007 vešla v úinnost nová vyhláška. 148/2007 o energetické náronosti budov, která definuje tzv. Prkaz energetické náronosti budovy. Tento prkaz nahrazuje pedchozí Energetický prkaz budovy podle vyhlášky. 291/2001 Sb.. Nový prkaz energetické náronosti budovy hodnotí budovu z hlediska všech energií, které do budovy vstupují tedy z hlediska energie na vytápní, chlazení, ohev teplé vody, vtrání a osvtlení. Prkaz energetické náronosti budovy bude podle novely energetického zákona od 1. 1. 2009 povinnou souástí dokumentace pi stavb nových dom a v mnoha dalších pípadech. Tab. 2.2: Klasifikaní tídy hodnocení energetické náronosti budovy podle vyhlášky 148/2007 Sb., hodnoty jsou uvedeny v kwh m -2 za rok (Kabele 2007) Druh budovy A B C D E F G Rodinný dm < 51 51-97 98-142 143-191 192-240 241-286 > 286 Bytový dm < 43 43-82 83-120 121-162 163-205 206-245 > 245 Hotel a restaurace Administrativní budova < 102 102-200 201-294 295-389 390-488 489-590 > 590 < 62 62-123 124-179 180-236 237-293 294-345 > 345 Nemocnice < 109 109-210 211-310 311-415 416-520 521-625 > 625 Budova vzdlávání Sportovní zaízení pro < 47 47-89 90-130 131-174 175-220 221-265 > 265 < 53 53-102 103-145 146-194 195-245 246-297 > 297 Budova pro velkoobchod a maloobchod < 67 67-121 122-183 184-241 242-300 301-362 > 362 Miloš Lain 2007 17
Povinnost zpracovat a na veejném míst vystavit prkaz energetické náronosti budovy budou mít také provozovatelé budov (blíže specifikovaných v novele zákona 177/2006 Sb) nad 1000 m 2 podlahové plochy. Prkaz energetické náronosti budovy klasifikuje budovy do sedmi kategorií - od velmi úsporných (A) až po mimoádn nehospodárné (G). Podrobnosti hodnocení požadavk na energetickou náronost budovy pro zaazení budovy do píslušné klasifikaní tídy jsou stanoveny podle tabulky 2.2 pro vypotenou roní mrnou spotebu energie v kwh m -2. Mrné spoteby energie v kwh m -2 ve tíd C jsou pro vyjmenované druhy budov hodnotami referenními (Kabele 2007). 2.6.2 Kontrola klimatizaních zaízení Cílem pravidelné kontroly klimatizaních zaízení je snížit spotebu energie a omezit emise oxidu uhliitého. Kontrola by mla zahrnovat posouzení úinnosti klimatizace a velikosti zaízení v porovnání s požadavky na chlazení budovy. Práv tento požadavek pedstavuje základní problém kontrol klimatizaních zaízení. Kontrola by nemla být zamena pouze na ovení úinnosti systému, ale mla by souasn posoudit i vhodnost systému a jeho provozování s ohledem na poteby budovy. Hledáme-li minimální spotebu energie pi zajištní požadovaných parametr prostedí, je teba posoudit jak vlastní klimatizaní zaízení, tak jeho provozování a regulaci v kontextu s budovou a požadavky na vnitní prostedí. To nelze provést žádným jednoduchým výpotem i testem. Systém, budova, klimatizace i regulace má adu vstupních parametr, které výrazn ovlivují jak spotebu energie, tak parametry vnitního prostedí. Proto pokud by kontrola mla být východiskem pro zajistit urité optimalizace, vyžadovala by zpracování ady studií, výpot, poítaových simulací, mení a testování. Takové posouzení je však asov i finann velmi nároné a nelze ho proto pro každou budovu s klimatizací se jmenovitým výkonem nad 12 kw provést. V prvním konceptu pro kontrolu (inspekci) klimatizaních systém zpracovaném v rámci projektu Phare CZ2003/004-338.02.02 (Lain, Kodytek 2005), který vychází z dokumentu TC 156 (2005), je rozsah psobnosti(eho, koho?) definován takto: Kontrola by mla posoudit následující body: pvodní navrženou koncepci systému a jeho regulaci vzhledem k typu a provozu budovy shodu systému s originálním ešením (projektem) a následné úpravy, skutené požadavky vzhledem k souasnému stavu budovy správné fungování systému funkci a nastavené hodnoty rzných ovládacích/regulaních prvk funkci a montáž rzných komponent píkon a výsledný energetický výkon. Kontrola klimatizaních systém by mla probíhat v následujících krocích: Miloš Lain 2007 18
Seznámení se a posouzení pvodní dokumentace systému (projektová dokumentace, energetické studie a posudky zpracované v rámci projektu). Seznámení se s dokumentací zmn systému i budovy (projektová dokumentace zmn, evidence zmn v provozu budovy i klimatizaního systému). Seznámení se s dokumentací uvedení do provozu, revizí a posudk (protokoly uvedení zaízení do provozu, revize, energetické studie, mení, posudky a audity zpracované bhem provozu). Seznámení se se záznamy mení spoteby energie pro chlazení budovy a klimatizaního systému. Dalším kroky kontroly: Prohlídka (vizuální kontrola) jednotlivých ástí klimatizaního systému a ovení jejich shody s pvodním projektem i dokumentací zmn (zdroje chladu, výmníky, ventilátory, systém mení a regulace). Ovení funkce klimatizaního systému a jeho komponent (zdroje chladu, výmníky, ventilátory) Ovení provozu a regulace klimatizaního zaízení (záznamy mení a regulace, ovení parametr vnitního prostedí). Cílem kontroly je vypracování zprávy obsahující závry jednotlivých krok kontroly, jejich zhodnocení, návrhy na doplnní podklad a doporuení zmn, odstranní nedostatk a zlepšení provozu klimatizaního systému. Výsledná vyhláška vydaná ministerstvem prmyslu a obchodu 19. íjna 2007 je velmi struná, v zásad se shoduje s výše zmínným postupem. Kontrola klimatizaních systém zahrnuje: a) identifikaci klimatizaního systému b) posouzení dokumentace z hlediska úplnosti a aktuálnosti c) vizuální prohlídku klimatizaního systému na pístupných místech d) ovení stavu údržby klimatizaního systému e) ovení funkce klimatizaního systému Kontrola klimatizaního zaízení provádná v rozsahu a podle výše popsané metodiky spluje požadavky smrnice 2002/91/Es. Je však otázkou, jak dkladn by mlo být k jednotlivým krokm pistupováno, jak detailní ešení bude požadováno. Pi pílišném zjednodušení se z kontroly stane jen další zbytený byrokratický úkon. Na druhou stranu pro detailní ešení asto chybí prostedky, as a i dostatený poet odborník. Navíc v eské republice nebyla a stále není spoteb energie pro chlazení vnována dostatená pozornost. Naprosto chybí sledování této spoteby, a to jak u provozovatel budov (není naízeno oddlené mení spoteby energie pro chlazení a provoz klimatizace), tak centrální sbr a vyhodnocování dat. Je pravdpodobné, že výše zmiované zákony a vyhlášky pispjí k zvýšení zájmu o snížení spoteby energie budov pro chlazení. Stávající stav legislativy však dosud není dostaten úinným nástrojem pro výrazné prosazení nízkoenergetického chlazení budov. Miloš Lain 2007 19