Simulace letního a zimního provozu dvojité fasády Miloš Kalousek, Jiří Kala Anotace česky: Příspěvek se snaží srovnat vliv dvojité a jednoduché fasády na energetickou náročnost a vnitřní prostředí budovy. Výsledkem je pole teplot a rychlostí vzduchu ve fasádě. Výpočet probíhal ve třech fázích, modelování mřížky (2 druhy), makromodelu a samostatného bloku fasády (dva druhy šířek) ve 3D a pro období léto a zima. Anotace anglicky: Paper will compare single and double ventilated facades by their influence to save energy effect and environmental comfort. Results are fields of temperature and velocity of the air inside facade. Calculations was divided into three parts modeling of metal grid (two kinds), macro model of facade and in 3D one block of facade (two wide). Also were solved summer and winter time. 1 ZADÁNÍ Geometrie fasády byla zadána půdorysem a řezem v digitální podobě a dalšími údaji o vlastnostech použitých materiálů. Obr. 1 Detail řezu fasádou v typickém podlaží Obr. 2 Detailní řez fasádou a půdorys - 1 -
2 POPIS HODNOCENÝCH VARIANT Pro hodnocení byly vybrány dvě základní varianty LÉTO a ZIMA. Jako další podpůrná varianta byla počítána varianta MAKRO. Tab. 1 Popis variant Popis Varianty MAKRO LÉTO ZIMA Rychlost větru 0,1 m/s 0,1 m/s 0,02 m/s Rychlost na vstupní mřížce z MAKRO modelu - 0,5 m/s 0,1 m/s Teplota na vstupní mřížce - 32 C 3 C Orientace fasády JV JV JV Místo simulace Bratislava Bratislava Bratislava Globální sluneční záření 350 W/m 2 (horizont.) 350 W/m 2 (horizont.) 110 W/m 2 (horizont.) Den a čas simulace - 15.července, 12 hodin 15. ledna, 12 hodin Teplota vnitřního vzduchu 20 C 20 C 20 C Turbulentní model RNG k-epsilon RNG k-epsilon RNG k-epsilon Počet MKP elementů 806 122 211 992 211 992 Doba výpočtu 6 hodin 2,5 hodiny 2,5 hodiny 2.1 Varianta MAKRO Varianta MAKRO je dílčí variantou pro zjištění rychlostních a teplotních poměrů na vstupní mřížce v jednotlivých podlažích viz obr. 3. Obr. 3 Axonometrie všech podlaží a 3D bloku odkryté fasády 2.2 Varianta LÉTO a ZIMA Varianty LÉTO a ZIMA jsou modelovány jako jeden blok fasády na výšku podlaží a šířku dvou bloků vstupního a výstupního viz obr. 4. - 2 -
Obr. 4 Pohled do meziprostoru a na mřížku (3D model) 3 VÝSLEDKY VARIANT Ve variantě MAKRO byly zjištěny rychlosti na vstupní mřížce pro letní variantu pohybující se od 0,5 až 1,5 m/s a teploty kolem 32 C (305 Kelvinů) pro další výpočty byla uvažována hodnota 0,5 m/s. Pro zimní variantu je rychlost na vstupní mřížce 0,1 m/s a teplota 3 C (276 Kelvinů). Obr. 5 Průběh teplot v polovině bloku s nasávacím a výstupním otvorem (LÉTO) Tab. 2 Dílčí výsledky z MAKRO modelu (pro další výpočty) Popis Varianty MAKRO LÉTO ZIMA Rychlost větru 0,1 m/s 0,1 m/s 0,02 m/s Rychlost na vstupní mřížce z MAKRO modelu - 0,5 m/s 0,1 m/s Teplota na vstupní mřížce - 32 C 3 C - 3 -
Dále po dosazení okrajových podmínek bylo vypočteno rozložení teplot a rychlostí na 3D modelu jednoho podlaží pro varianty LÉTO a ZIMA. Obr. 6 Rychlosti ve vstupním otvoru (LÉTO) 4 HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Jednoduchá fasáda jako porovnávací varianta Srovnávací jednoduchá fasáda je s vnitřní žaluzií na vnitřním povrchu zasklení, kde je její teplota v letním období velmi vysoká. Dopadající sluneční záření se akumuluje až uvnitř místnosti na vnitřních žaluziích. Povrch žaluzie byl uvažován stříbrný (e=0,3) jako u žaluzie v meziprostoru fasády. Hodnoceny a srovnávány byly povrchové teploty na površích zasklení fasády a teplota vzduchu v meziprostoru: 1. Průměrná teplota vnějšího povrchu vnitřního zasklení 2. Průměrná teplota vnitřního povrchu vnitřního zasklení 3. Průměrná teplota vzduchu v meziprostoru Tab. 3 Porovnání výsledných hodnot pro variantu LÉTO Var. LÉTO (0,5 m/s) Dvojitá fasáda Jednoduchá fasáda * Teplota na vnějším povrchu ( C) 38,0 43,1 Teplota na vnitřním povrchu ( C) 35,2 48,7 Teplota vzduchu v meziprostoru ( C) 40,2 - - 4 -
Tab. 4 Porovnání výsledných hodnot pro variantu ZIMA Var. ZIMA (0,1 m/s) Dvojitá fasáda Jednoduchá fasáda * Teplota na vnějším povrchu ( C) 16,5 4,7 Teplota na vnitřním povrchu ( C) 16,6 21,6 Teplota vzduchu v meziprostoru ( C) 15,7 - * Teploty z dvojité fasády byly srovnány s povrchovými teplotami na srovnávací jednoduché fasádě tj. bez meziprostoru a druhého skleněného pláště. Pro další srovnání je zde uvedena varianta LÉTO2, tj. rychlost vzduchu na vstupní mřížce 0,1 m/s, která byla vypočtena nad rámec zadání: Tab. 5 Porovnání výsledných hodnot pro variantu LÉTO2 Var. LÉTO2 (0,1 m/s) Dvojitá fasáda Jednoduchá fasáda * Teplota na vnějším povrchu ( C) 39,1 43,1 Teplota na vnitřním povrchu ( C) 36,1 48,7 Teplota vzduchu v meziprostoru ( C) 43,8-4.1 Letní období varianta LÉTO Dvojitá fasáda vykazuje na vnitřním povrchu vnitřního zasklení teplotu 35,2 C což je o 13,5 K méně než u jednoduché fasády (48,7 C) viz. tabulka 3. To znamená velký přínos z hlediska tepelné pohody v místnosti v letním období. Průměrná teplota vzduchu v meziprostoru je 40,2 C. Teplota je o 8,2 K vyšší než teplota okolního a vstupního vzduchu (32 C). 4.2 Zimní období varianta ZIMA V zimním období je naopak žádoucí vyšší teplota vzduchu v meziprostoru i na povrchu okna (tj. nad teplotu venkovního vzduchu 3 C). Teplota vzduchu v meziprostoru dosahuje hodnoty 15,7 C a zcela mění okrajové podmínky pro výpočet okamžitých ztrát. Teplota vnitřního povrchu okna je 16,6 C a velmi zlepšuje tepelnou pohodu v interiéru oproti klasické variantě jednoduché fasády, kde je na povrchu okna 4,7 C viz tabulka 4. 5 TEPELNÁ POHODA A SPOTŘEBA ENERGIE Tepelná pohoda vnitřního prostředí Vyšší tepelná pohoda je zajišťována také optimální povrchovou teplotou okolních ploch v interiéru. Pohoda v místnosti se popisuje tzv. operativní teplotou. Pokud bude vnitřní povrchová teplota zasklení (žaluzie) 48,7 C (jednoduchá fasáda) bude operativní teplota nabývat hodnot 24,3 C. Pokud bude vnitřní povrchová teplota zasklení 35,2 C (dvojitá fasáda) bude operativní teplota nabývat hodnot 22,8 C. Platí pro poměr plochy zasklení a stěn 1:5 a pro teplotu vzduchu a povrchové teploty 22,0 C v referenční místnosti. Při použití dvojité fasády se sníží letní operativní teplota z 24,3 C na 22,8 C oproti jednoduché fasádě. Vše při stejném výkonu chlazení. V zimním období se tepelná pohoda zlepší u varianty dvojité fasády na delší časový úsek než u jednoduché fasády. Přestože dvojitá fasáda vykazuje nižší vnitřní povrchové teploty zasklení, je celková bilance tepelné pohody v zimě lepší - tabulka 4. Sluneční energie se nakumuluje v meziprostoru vydrží déle zajišťovat tepelnou pohodu v interiéru. - 5 -
Spotřeba energie na chlazení v létě Spotřeba energie na výrobu chladu se při použití dvojité fasády může snížit o 10 až 20 % v místnostech přilehlých k fasádě. Hodnota vychází z nutného množství chladu k zajištění shodné teplené pohody v místnostech za oběma různými fasádami, orientace fasády a z množství slunečných dnů v dané lokalitě. Spotřeba energie na vytápění v zimě U dvojité fasády se vlivem využití sluneční energie sníží roční spotřeba energie na vytápění až o 30 % (platí pouze pro tepelné ztráty fasádou). Především bude největší úspora v tzv. přechodných obdobích (podzim, jaro). Díky akumulaci slunečního záření teplota vzduchu v meziprostoru fasády vzroste na 15,7 C při venkovní teplotě vzduchu 3 C a intenzitě slunečního záření 110 W/m 2 na horizontální plochu. Díky této exteriérové teplotě se okamžitá tepelná ztráta přes zasklení sníží téměř na nulu. Pozn.: Tyto vypočtené hodnoty nárůstu teploty v meziprostoru fasády již byly ověřeny měřením v lednu roku 2000 na podobné fasádě Moravské zemské knihovny v Brně. Noční režim ochlazování fasády v letním období V nočních hodinách je v letním období velmi snadné a potřebné odvětrání naakumulovaného tepla v mezi prostoru. U jednoduché fasády je odvětrání obtížnější, protože nedochází k tak silnému komínovému efektu podél fasády a také je teplo více nakumulováno v interiérových konstrukcích, kdežto u dvojité fasády je energie nakumulována v konstrukcích exteriérových - provětrávaných. 6 ZÁVĚR Z výše uvedených simulací je zřejmý pozitivní vliv dvojité fasády na celkovou energetickou bilanci objektu v letním i zimním období. Rychlosti proudění vzduchu uvnitř fasády v letním období jsou dostatečné na odvětrání meziprostoru fasády, kde je teplota vzduchu vyšší proti okolnímu vzduchu o 8,2 C. V zimním období je teplota vzduchu v meziprostoru vyšší o 12,7 C a dosahuje teplot 15,7 C což výrazně snižuje tepelné ztráty fasádou. V obou obdobích má druhý plášť fasády pozitivní vliv také na kvalitu vnitřního prostředí budovy. 7 LITERATURA 1. Kalousek, M., Kala, J., Hodnocení dvojité provětrávané fasády na objektu AB Reding, závěrečná zpráva. 2. Kalousek, M., Sedlák, J., An energy-savings facade for non-residential buildings, International conference Eurosun 2000, Kodaň, Dánsko, 2000, 6s. - 6 -