ALTERNATIVNÍ ZPŮSOBY CHLAZENÍ BUDOV Miloš Lain 1, Jan Hensen 2 1 Department of Environmental Engineering, Faculty of Mechanical Engineering Czech Technical University in Prague Technická 4, 166 7 Prague 6, Czech Republic e-mail: lain@fsid.cvut.cz 2 Center for Building & Systems TNO-TU/e, Group FAGO - V 6H12 Technische Universiteit Eindhoven, P.O. Box 513, 56 MB Eindhoven, The Netherlands e-mail: lain@fsid.cvut.cz Abstract: in the Czech Republic, low energy in buildings and systems usually refers to low energy consumption for heating. However in modern office buildings cooling is becoming more and more important, therefore the associated energy consumption should also be considered. This paper introduces low energy cooling concepts, by describing case studies, including climate analysis, for the Czech region. The paper focuses on application of evaporative cooling for indoor climate control. Key words: low energy cooling, computer simulation, passive cooling. Úvod Snahy o snížení spotřeby energie, využívání alternativních zdrojů energií a návrhy nízkoenergetických, případně pasivních budov se v našich klimatických podmínkách spojují především s vytápěním. Ale pro moderní kancelářské budovy a často i obytné domy a průmyslové stavby, se stále zvyšují požadavky na chlazení. Velmi dobře izolované obvodové pláště budov spolu s velkým množstvím kancelářské techniky způsobují, že řada kancelářských budov vyžaduje téměř celoroční chlazení. Proto je již při návrhu budovy a systémů techniky prostředí třeba snažit se o minimalizaci spotřeby energie pro chlazení, a to při celoročním zajištění parametrů tepelné pohody. V souvislosti s hrozbou globálního oteplování se začíná v celém světě stále více hovořit o trvale udržitelném rozvoji. Ve stavebnictví je tento pojem spojován zejména s budovami s minimální spotřebou energie a co nejjednodušším systémem technických zařízení. Dále se stále důrazněji prosazuje trend používat v budovách co nejméně látek poškozujících životní prostředí, ať již z pohledu rizika likvidace ozónové vrstvy (zákaz chladiva R12) nebo plynů skleníkových. Nicméně tento trend je v rozporu s požadavky kladenými na vnitřní prostředí moderních kancelářských budov. Rostou nároky na tepelnou pohodu (některé studie ukazují nárůst produktivity práce až o 2% s rostoucím tepelným komfortem), zvyšují se tepelné zátěže od elektronických zařízení v kancelářích. A i když zatím nelze očekávat prudký nárůst teplot v souvislosti s globálním oteplováním, klima ve střední Evropě není v posledních letech příliš stabilní. Takové teploty, jaké byly například v létě 23, výrazně přispívají k tomu, že je klimatizace (chlazení vzduchu) považována za nezbytnou. Pasivní chlazení Většina alternativních způsobů chlazení je silně závislá na budově. Koncepce pasivní či nízkoenergetické budovy s ohledem na chlazení musí vycházet již přímo od architekta.
Pod pojmem pasivní budova či pasivní chlazení se rozumí uplatňování takových architektonických a urbanistických řešení, která výrazně snižují tepelné zisky v budově a přispívají k tepelné pohodě. Mezi pasivní prvky patří především stínění (stavební prvky, žaluzie apod.) navržené tak, aby minimalizovaly tepelné zisky přímou sluneční radiací v letních měsících. Dále je to např. vhodná orientace budovy a umístění větracích otvorů a šachet pro přirozené větrání, úpravy okolí budovy, výsadba zeleně a fontány pro snížení teploty vzduchu. Mezi moderní prvky, které však rovněž představují pasivní systém pro snížení energetické náročnosti, patří provětrávané střešní pláště a dvojité fasády. Alternativní způsoby chlazení Je však důležité si uvědomit, že i budovy, kde se podařilo minimalizovat tepelné zisky z vnějšího prostředí, vykazují stále ještě potřebu chlazení. Alternativou k běžnému kompresorovému cyklu jsou pouze tři základní zdroje chladu, a to: 1) kolísání teplot vzduchu v kombinaci s akumulační hmotou budovy (noční větrání) 2) využívání přeměny citelného tepla na latentní (adiabatické chlazení, přímé, nepřímé nebo s využitím sorbčních výměníků) 3) využívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky, podzemní voda). S pojmem alternativního nebo nízkoenergetického chlazení jsou často spojovány i principy umožňující efektivní distribuci chladu či využití zdrojů chladu s nižším potenciálem (vyšší teplotou). Mezi takové systémy patří zejména : vytěsňovací větrání (umožňuje vytvoření teplotního gradientu v místnosti a využití vyšší teploty chladicí vody) chladicí stropní panely (přenos tepla sáláním a vyšší teploty chladicí vody) chlazené stropní konstrukce, stěny nebo podlahy (přenos tepla sáláním a vyšší teploty chladicí vody nebo použití vzduchu) Historie U většiny alternativních způsobů chlazení budov a konceptu pasivních budov z pohledu chlazení používáme principů známých již velmi dlouhou dobu. Řada návrhů se inspiruje historickými budovami, kde byly alternativní způsoby chlazení uplatňovány. Moderní konstrukce budov a strojní chlazení však většinou původní koncepty plně vytlačily. Je proto třeba nejen znovu objevovat nízkoenergetické způsoby chlazení, ale plně využít i nových nástrojů a technologií pro projektování a dimenzování těchto systémů. Metody řešení Alternativní způsoby chlazení budov využívají ve značné míře kolísání teploty a relativní vlhkosti venkovního vzduchu, akumulace tepla do budovy nebo chladu ze zemského polomasívu. Pro navrhování těchto chladicích systémů proto nestačí ani ten nejpřesnější výpočet maximální teplené zátěže, není-li kombinován s řešením dynamického chování budovy a systému. Systém chlazení s chladivovým oběhem může být navržen na extrémní hodnoty vzhledem k tomu, že jeho chladicí výkon lze poměrně jednoduše regulovat v závislosti na aktuálních parametrech vnitřního prostředí. Avšak u většiny alternativních způsobů chlazení je tato regulace krajně obtížná. Například při nočním větrání je denní teplota v místnosti závislá na tom, jak byla větrána předchozí noc. S navrhováním alternativních systémů chlazení nejsou příliš velké zkušenosti, a proto chybí dostatečně jednoduché, ověřené a všeobecně používané výpočtové postupy. Při dimenzování standardních chladicích systémů může být takovýmto zjednodušením například korekce tepelných zisků radiací na akumulaci vnitřních stěn. Hlavním nástrojem, který se v souvislosti s návrhem systémů alternativního chlazení budov uplatňuje, jsou počítačové simulace.
Pro některé nově budované nebo rekonstruované systémy jsou zpracovávány individuální studie energetických bilancí. Pro tyto studie se využívají komplexní počítačové programy, jež využívají podrobné klimatické databáze a při řešení respektují dynamiku chování budovy a systému. Vhodné jsou především integrované nástroje, které umožní řešení energetických bilancí budovy, klimatizačního systému, vlivu osob a vnitřních zátěží, regulace a případně i proudění v místnostech (CFD). Základem pro předběžné posouzení potenciálu alternativního chlazení je analýza klimatických dat. Porovnání klimatických dat je používáno také jako první krok při aplikaci výsledků některých doposud zpracovaných studií na podmínky České Republiky. Adiabatické chlazení Adiabatické chlazení využívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, čímž se snižuje teplota vzduchu. Přímé adiabatické Tab. 1 Hodino stupně a entalpi hodiny pro chlazení chlazení se hodí především pro suché, horké či teplé klima (někdy Town CDH 25 EH 25/4 (kj/kg SV ) CDH 18 EH 18/4 (kj/kg SV ) se používá i název pouštní Praha TRY1 361 3 47 4 581 25 198 chlazení). Nelze ho však použít pro Praha TRY2 483 3 483 5 3 28 689 oblasti s vlhkým klimatem. Drážďany 527 3 4 5 154 28 68 Středoevropské klima je Stockholm 15 1 35 1 16 425 hodnoceno jako teplé (výpočtová Zurich 426 1 658 4 757 16 38 teplota 32 C) a částečně vlhké New York 2 57 25 698 15 942 68 783 (semi humid). Toronto 837 12 294 7 643 4 831 Při hodnocení energetické Helsinky 26 368 1 524 11 49 Paříž 234 3 91 3 447 26 146 náročnosti chlazení se často Lisabon 1 824 11 686 11 64 67 77 používají denostupně Mineapolis 2 54 21 341 13 16 56 359 (hodinostupně), ty však reprezentují pouze citelnou tepelnou zátěž prostoru. Pro systémy s adiabatickým chlazením je třeba respektovat i teplo vázané. Zejména z tohoto důvodu byly definovány entalpi hodiny (IEA 1995). Entalpi hodiny (EH) jsou definovány jako suma hodin a rozdíl entalpií v době, kdy entalpie venkovního vzduchu překročí referenční hodnotu. Tabulka č.1 dokumentuje porovnání hodino stupňů a entalpi hodin pro Českou Republiku (zastoupenou Prahou)a některé další oblasti (města). Výpočet byl proveden na základě dvou referenčních roků pro oblast Prahy (TRY1 a TRY2), a to pro dvě referenční teploty (18 a 25 C) a referenční vlhkost 4%. Budeme-li předpokládat pro běžnou kancelář maximální přípustnou teplotu 26 C a relativní vlhkost 6% a zanedbáme-li latentní zisky, Obr.1 Limity pro přímé adiabatické chlazení lze konstatovat, že přímé adiabatické chlazení nelze použít, je-li entalpie venkovního vzduchu vyšší než 59 kj/kg sv nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg sv (viz. Obr.1). Chceme-li použít vzduch pro odvod tepelné zátěže, je nezbytné, aby jeho teploty byly nižší než požadovaná teplota. Za předpokladu teplotního gradientu 4K (tj teplota vzduchu 22 C) je limitní entalpie 55 kj/kg sv. Počty hodin, kdy jsou v obou referenčních rocích pro Prahu překročeny tyto hodnoty dokumentuje tabulka č. 2. Z výsledků uvedených v tabulce jasně vyplývá, že počet hodin, kdy nelze adiabatické
chlazení využít k dosažení tepelné pohody a nebo kdy je jeho chladicí potenciál malý, je nezanedbatelný. Výhodou přímého adiabatického chlazení je, že nevyžaduje instalaci dalších zařízení do vzduchových systémů, neboť v našich klimatických podmínkách musí klimatizační jednotka obsahovat vlhčení pro zimné provoz. Tabulka č. 2: Počty hodin, kdy nelze použít přímé adiabatické chlazení Praha TRY1 Praha TRY2 Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 59 kj/kg SV nebo 72 88 měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg sv Počet hodin, kdy je entalpie vyšší než 55 kj/kg SV nebo měrná vlhkost vyšší než 12,8 g/kg sv 181 215 Závěrem lze tedy konstatovat, že přímé adiabatické chlazení umožňuje výrazně snížit tepelnou zátěž prostoru, ale není schopno celoročně zajistit podmínky tepelného komfortu a je proto nezbytné ho kombinovat s jiným zdrojem chladu. Přímé adiabatické chlazení se uplatní především tam, kde je požadována vysoká vlhkost vzduchu a zároveň chlazení. Příkladem takové aplikace je adiabatické chlazení pavilonu Indonéská džungle pražské ZOO. Přímé adiabatické chlazení pro pavilon ZOO Indonéská džungle Pro posouzení energetických bilancí nově budovaného pavilonu Indonéská džungle pro ZOO Praha byla použita velmi efektní metoda počítačové simulace [4]. Vzhledem k požadované vysoké vlhkosti vzduchu (7 až 9 %) bylo navrženo přímé adiabatické chlazení rozstřikováním vody v prostoru, čímž se snížil maximální chladicí výkon z původních 215 kw na 16 kw. Výrazně se snížil i počet hodin s požadovaným chlazením - z původních téměř 2 hodin na polovinu. Výsledky počítačové simulace určily i přibližný počet hodin, kdy je potřebný vysoký chladicí výkon. Například výkon vyšší než 12 kw se využije pouze 8 hodin v roce. Chaldicí výkon [kw] Chaldicí výkon [kw] 25 2 15 1 5 25 2 15 1 5 Potřebný chladicí výkon (citelné teplo) Potřebný chladicí výkon v letním období Potřebný chladicí výkon ve vybraném týdnu Potřebný chladicí výkon (citelné teplo) Potřebný chladicí výkon při vlhčení vzduchu vodou květen červen červenec srpen září Teplota vnitřního vzduchu 25/21 C Relativní vlhkost 9% Potřebný chladicí výkon při vlhčení vzduchu vodou Teplota vnitřního vzduchu 25/21 C Relativní vlhkost 9% 7.7 8.7 9.7 1.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7 17.7 18.7 19.7 Obr.2 Potřebný chladicí výkon pavilonu s abez adiabatického chlazení
Nepřímé adiabatické chlazení Accumulated annual hours in year [%] Oparatin of chiller 129 hours per year. 1 8 6 4 2 EVAP. ALL-AIR FAN-COIL 2 4 6 8 Inside air relative humidity [%] Accumulated annual hours in year [%] Oparatin of chiller 129 hours per year. Tab. 3 Výsledky simulace nepřímého adiabatického chlazení Systém Tepelné zisky Maximální chladicí výkon Max. vlhkost vzduchu Spotřeba energie W W % % kwh % EVAP. 3 266 5 175 91 85 967 43 ALL-AIR 3 266 5 678 1 84 2 241 1 FAN-COIL 3 266 4 419 78 75 3 96 138 1 8 6 4 2 25 35 45 55 65 75 85 Inside air relative humidity [%] Accumulated annual hours in year [%] Oparatin of chiller 1918 hours per year. 1 8 6 4 2 25 35 45 55 65 75 Inside air relative humidity [%] Obr. 3 Porovnání distribuce relativních vlhkostí vzduchu pro tři varianty klimatizace Při nepřímém adiabatickém chlazení je sekundární vzduch adiabaticky ochlazen a pomocí výměníku vzduch-vzduch ochlazuje primárnímu vzduch. Výhodou tohoto principu je, že se měrná vlhkost primárního vzduchu již nezvyšuje. K odvlhčení (kondenzaci) primárního vzduchu dochází však jen výjimečně, a tak relativní vlhkosti zůstávají vyšší než při standardním chlazení (viz Obr. 3). Pomocí počítačové simulace bylo provedeno porovnání tří klimatizačních systémů: Evap -nepřímé adiabatické chlazení; All-Air -centrální vzduchový systém se strojním chlazením; Fan-Coil -systém s cirkulačními chladicími jednotkami v místnostech a minimálním přívodem čerstvého vzduchu. Z výsledků prezentovaných v tabulce č. 3 je patrné výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení, oproti tomu maximální chladicí výkon se snížil poměrně málo. Pro nepřímé adiabatické chlazení se často používají i speciální klimatizační jednotky, které využívají sprchování sekundární strany výměníku tepla a které mají vyšší chladicí výkony než prostá kombinace pračky a výměníku. Jako sekundární vzduch je využíván vzduch odváděný z klimatizovaného prostoru, čerstvý vzduch nebo část již ochlazeného primárního vzduchu. Při analýze výsledků nelze opomenout, že alternativní způsoby chlazení využívají větší průtoky venkovního vzduchu. To samo o sobě vede k výraznému snížení spotřeby energie pro chlazení, neboť většinu chladicí sezóny je teplota venkovního vzduchu nižší než teplota požadovaná. Problémy alternativního chlazení budov Problémů spojených s využitím alternativních způsobů chlazení budov je celá řada. Kromě již zmiňované náročnosti detailního dimenzování, je velkým problémem i nutnost velmi úzké koordinace všech oblastí a stupňů vypracování projektu a realizace díla. Tato spolupráce a koordinace je často potlačena stávajícím systémem zadávání zakázek. Některé systémy nepřinášejí očekávané výsledky, a to nikoliproto, že by byly špatně navrženy, ale zejména z důvodů změn v užívání stavby, realizace systémů techniky prostředí a často nevhodně navržené či provozované regulaci.
Dále existují problémy spojené s jednotlivými technologiemi. Pro adiabatické chlazení je hlavním nedostatkem údržba praček vzduchu. Pračky vyžadují pravidelnou údržbu, je třeba též zabránit množení nebezpečných či obtěžujících bakterií v pračkách apod. Závěr Alternativní způsoby chlazení mohou přinést jak zvýšení tepelného komfortu v neklimatizovaných budovách, tak výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení v hybridních systémech. Koncept nízkoenergetické či pasivní budovy z pohledu chlazení musí vycházet již z architektonického řešení. Kromě uplatňování prvků pro snížení tepelných zisků z vnějšího prostředí (stínění, přirozené větrání atd.) je třeba zajistit i užívání budovy v souladu s touto koncepcí. Pro dimenzování alternativních způsobů chlazení budov stále chybí standardní postupy, a proto je vhodné využívat metod modelování a počítačové simulace při jejich návrhu a optimalizaci. Literatura [1] Barnard, N., Jaunzens, D., 21, Low Energy Cooling Technology Selection and Early Design Guidance, Building Research Establishment Ltd, London, 19 p. [2] Bartak, M., Drkal, F., Hensen, J., Lain, M., 21, Design Support Simulations For The Prague Zoo "Indonesian Jungle" Pavilion, Proc. Building Simulation 21, IBPSA, p.841 to 845. [3] Behne, M., 1997, Alternatives to Compressive Coolingin Non-Residential Buildings to Reduce Primary Energy Consumption, Final report, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California. [4] Duska, M., 23, Aletrnativni chlazeni kancelarskych prostor, Thesis Czech Technical University in Prague, 11 p. [5] Heap, R.D., 21, Refrigeration and air conditioning the response to climate change, Bulletin of the IIR - No 21-5, [6] IEA, 1995, Review of Low Energy Cooling Technologies, Natural resources Canada, Ottawa, Canada, 88 p. [7] Lain, M., 22, Počítačové simulace při řešení alternativních způsobů chlazení budov, Proc. Simulace budov a techniky prostředí 22, IBPSA-CZ, p.93 to 96. [8] Liddament, M.W., 2, Low energy cooling, ESSU, Coventry, U.K., 32 p. [9] Roel, H., 2, Low Energy Cooling Detailed Design Tools, Building Research Estabilishment Ltd, London, 327 p. [1] Santamouris, M., Asimakopoulos, D., 1996, Passive Cooling of Buildings, James&James Ltd., London, U.K., 472 p. [11] Lain,M., Duška,M., Matejíček, K.: Applicability Of Evaporative Cooling Techniques in the Czech Republic, Proc. International Congres of Refrigeration 23, IIR.