Využití počítačových simulací při návrhu klimatizace rozsáhlé administrativní budovy

Úvod

Při návrhu nových administrativních budov může nacházet uplatnění řada typů počítačových simulací, obzvláště v případě, kdy jsou používány systémy jako aktivace betonu či akumulace tepla/chladu do zemského polomasivu. Nová budova banky by měla být moderní budovou s minimálními energetickými nároky, a proto je navržena se stavitelným vnějším stíněním, aktivací betonu jako základním prvkem pro chlazení a vytápění a doplňkovým systémem s rychlým náběhem. Zdroj tepla a chladu bude využívat vrtů pod budovou a tepelných čerpadel pro dlouhodobou akumulaci tepla/chladu. Proto byly i počítačové simulace zpracovány ve třech etapách. V první etapě byl zpracován zjednodušený model celé budovy, ve druhé detailní model vybraných kanceláří a ve třetí model systému zdroje chladu a tepla.

Etapa I – modelování energetického chování budovy

Obr. 1 Model budovy v programu Design Builder [1]

První etapa se zaměřila na energetické bilance celého objektu a byla zpracována zcela samostatně [1]. Simulační model byl vytvořen v softwaru Design Builder a je dále použitelný i pro potřeby uvažované certifikace LEED. Budova je modelována poměrně detailně. Model rozlišuje 16 typů místností, které jsou rozvrženy dle skutečnosti v jednotlivých částech budovy, tím vznikl model o velkém počtu zón. Model respektuje denní profil užívání jednotlivých prostor a používá referenční hodinová klimatická data z databáze IWEC.

Etapa I – analýza vlivu provozu

Obr. 2 Jednotlivé varianty provozu kanceláře

Na modelu jedné kanceláře byl posouzen vliv profilu užívání a vnitřních zisků. Ukazuje se, že budova má poměrně malé vnitřní zisky a kvalitní stínění, což vede k malé potřebě chladu a vyšší potřebě tepla na vytápění, což je v rozporu s provozními zkušenostmi z budov podobného typu. Bylo posouzeno 11 variant provozu.

Z obrázku 2 je patrné, že provoz budovy, vnitřní tepelné zátěže a ovládání systémů osvětlení mají zcela zásadní vliv na výsledné hodnoty potřeb energie a na poměr potřeby tepla a chladu. Se zvýšením vnitřní tepelné zátěže a omezením regulace naroste roční potřeba chladu z 11 na 30 kWh/m² a na druhé straně poklesne roční spotřeba tepla z 50 na 25 kWh/m². Přitom jsou vnitřní tepelné zátěže a profily okrajovou podmínkou s vysokou nejistotou.

Etapa I – analýza vlivu obvodového pláště

Obr. 3 Jednotlivé varianty návrhu budovy [1]

Obr. 4 Model kanceláře a varianty orientace [2]

Počítačové simulace celé budovy byly provedeny pro základní a další tři varianty. Varianta 1 je s parapetem místo plného zasklení. Ve variantě 2 je zasklení provedeno dvojsklem místo trojskla. Varianta 3 je bez stínění na severoseverozápadní fasádě.

Ukazuje se, že parapet má příznivý účinek a snižuje potřebu jak na vytápění (o 3 %), tak na chlazení (o 9 %). Dvojsklo naopak zvyšuje obě potřeby a odstranění vnějšího stínění na severoseverozápadní fasádě mírně zvýší potřebu chladu (9 %) a na vytápění nemá vliv. Vzhledem k zachovanému profilu vnitřních zátěží stále převládá potřeba tepla na vytápění oproti potřebě chladu.

Etapa II – modelování tepelného chování místnosti

Druhá etapa se zaměřila na detailní energetickou simulaci vybraných kanceláří a posouzení použití aktivace betonu pro zajištění tepelné pohody v kancelářích. Pro analýzu byla použita dynamická počítačová simulace založená na zónovém modelování v programu ESP-r [3]. Model reprezentuje část kancelářského prostoru o šířce 4,05 m a hloubce 5,5 m v 1. NP, jeho výška je 3,05 m (rozměry modelu odpovídají vnitřním rozměrům prostoru). Podlahová plocha modelu je 22,2 m², vnitřní objem modelu je 67,7 m³. Plocha zasklení bez rámu připadající na modul je 8,1 m². Vliv kancelářského nábytku na distribuci solární radiace v prostoru zastupuje horizontální deska tloušťky 25 mm, jejíž plocha odpovídá 4 stolům, z nichž každý má rozměr 0,75 × 1,6 m.

Pro definici venkovních podmínek byl použit skutečný průběh počasí v Praze v roce 2003 (rok s extrémním průběhem letního období) zpracovaný z dat poskytnutých ČHMÚ pro teplotu vzduchu, celkové a difuzní sluneční ozáření, relativní vlhkost vzduchu, směr a rychlost větru s hodinovým krokem. Analýza byla zaměřena pouze na citelné tepelné toky (bez uvažování vlivu vlhkosti vzduchu a latentních tepelných toků). Jmenovité vnitřní zisky se odvíjejí od 4 osob vykonávajících kancelářskou práci (celkem 256 W) a používajících 4 notebooky (celkem 440 W). Okamžité vnitřní zisky se řídí obsazeností stejně jako průtok větracího vzduchu. Základní hodnota průtoku větracího vzduchu je 36 m³/h na osobu. Větrací vzduch je tepelně upraven a je přiveden do kanceláře při teplotě 23 °C. Mimo pracovní dobu se uvažuje konstantní intenzita větrání infiltrací (tj. neupraveným venkovním vzduchem) 0,1 h⁻¹.

Chladicí výkon je přiveden do osové roviny stropní desky a přenáší se do prostoru vedením, konvekcí a sáláním. Maximální hodnota chladicího výkonu je omezena na 1100 W (50 W/m²). V pracovní době je maximální požadovaná teplota vzduchu v prostoru 25 °C, mimo pracovní dobu pak 30 °C. Regulátor se chová ideálně (především reaguje okamžitě na regulační odchylku).

Etapa II – analýza vlivu aktivace betonového jádra

Výstupem simulačního programu jsou teploty vzduchu, střední radiační teploty v zóně a povrchové teploty stropu, dále pak tepelné toky odpovídající provozu aktivace betonu. Jako základní ukazatel tepelné pohody byla zvolena operativní teplota. Ta byla vypočtena pro případ nižších rychlostí proudění, který odpovídá použitému sálavému systému, jako aritmetický průměr teploty vzduchu a střední radiační teploty uprostřed místnosti. Simulace byla zpracována v základních osmi variantách pro různé kombinace orientace, parapetu a stínění. Stejně jako u reálného systému se povrchové teploty stropu mění v mnohem menším rozsahu než teploty vzduchu (viz obr. 5). Proto také operativní teplota, která zahrnuje vliv sálání, nemá takové výkyvy jako teplota vzduchu.

a

b

Obr. 5 Výsledky počítačové simulace [2]: (a) povrchové teploty stropu pro vybraných 8 dní, (b) operativní teploty pro vybraných 8 dní

Celkem byla simulace zpracována pro 8 variant. Tři varianty orientace s vnějším stíněním a severní i bez vnějšího stínění (S sever bez stínění, SS sever, J jih, Z západ) a všechny varianty bez parapetu a s parapetem (s parapetem označené p).

Jedním z posuzovaných parametrů řešení byl také vliv parapetu. Použití parapetu o výšce 0,5 m způsobí snížení maximálních teplot pro jižní a západní orientaci o přibližně 0,6 °C, oproti tomu vliv na minimální teploty je zanedbatelný. Parapet tedy přispívá k zlepšení kvality vnitřního prostředí i snížení spotřeby energie o cca 5 %.

Počítačová simulace ukazuje dostatečnou schopnost aktivace betonu s nočním provozem zajistit tepelnou pohodu pro všechny varianty s parapetem, tj. pro severní, východní i západní orientaci kanceláře viz obr. 5. Operativní teploty v kanceláři by se ale při použití pouze aktivace betonu v noci pohybovaly mezi 21 a 27 °C.

Kancelář se pro orientace jih a západ s vnějším stíněním a pro sever bez stínění chová obdobně, jen pro západní orientaci nastávají teplotní extrémy později. Kanceláře s orientací sever a vnějším stíněním mají nižší teploty a tepelné zisky než ostatní varianty. Varianty s parapetem vykazují výrazně lepší chování než varianty bez parapetu.

Etapa III – modelování energetického systému

Třetí etapa se zabývala zdrojem tepla a chladu, využitím tepelných čerpadel a systému zemních vrtů pod budovou. Simulační model byl zpracován v programu TRNSYS. Výchozím podkladem byla hodinová data potřeb energie na chlazení a vytápění budovy získaná ze simulací provedených v první etapě doplněná o potřeby energie na kondenzaci vody při chlazení v letních měsících.

Navržené schéma energetického systému bylo pro potřeby matematického modelování zjednodušeno na nezbytnou míru. Modelovaný energetický systém využívá vždy dvou teplotních úrovní s jednotným teplotním rozdílem pro zjednodušení modelu, jak pro systémy vytápění, tak pro systémy chlazení:

• Nízkoteplotní okruh vytápění s návrhovými teplotami otopné vody 35/30 °C s ekvitermním řízením podle venkovní teploty pro aktivované betonové jádro a pro podlahové vytápění atria budovy.
• Vysokoteplotní okruh vytápění s návrhovými teplotami otopné vody 55/45 °C s ekvitermním řízením podle venkovní teploty pro větve otopných těles (suterén) a VZT jednotky (větrací systém).
• Vysokoteplotní okruh chlazení s návrhovými teplotami chladicí vody 16/18 °C pro aktivované betonové jádro a pro podlahové vytápění atria budovy.
• Nízkoteplotní okruh chlazení s návrhovými teplotami chladicí vody 7/13 °C pro VZT systém (odvlhčení, chlazení venkovního vzduchu).

Tepelná čerpadla byla uvažována typu země (voda) – voda, při jmenovitých podmínkách B0/W35 je topný faktor COP = 4,3. Tepelná čerpadla byla modelována rovnicemi druhého řádu stanovenými pro kondenzační výkon, vypařovací výkon a elektrický příkon v závislosti na vstupních teplotách do výparníku a kondenzátoru. Výstupní teploty z výměníků byly v rámci simulace počítány a používány společně s průtoky jako vstupy do dalších modelů prvků (zásobníky tepla a chladu).

Zemní vrty byly modelovány pro tepelnou vodivost okolí zemního vrtu 2,5 W/m.K, tepelnou kapacitu zemského masivu 2300 kJ/m³.K a tepelný odpor vrtu 0,09 m.K/W (zjištěno testem tepelné odezvy). Teplota neovlivněného zemského masivu je 12,4 °C. Celkový akumulační objem simulovaného zemského masivu je 2 miliony m³. Objem teplonosné látky v potrubích smyček vrtu je 78 m³.

Uvažovaný instalovaný výkon tepelných čerpadel byl uvažován pro nízkoteplotní vytápění 1291 kW, pro vysokoteplotní vytápění 926 kW, pro nízkoteplotní chlazení 620 kW a pro vysokoteplotní chlazení 1701 kW.

Etapa III – výsledky a závěry

Na základě výsledků etapy 1 dynamické simulace budovy a zahrnutí potřeby energie pro vlhčení a odvlhčení byly zpracovány počítačové simulace energetického systému budovy SHQ v řadě variant. Počítačová simulace byla řešena pro sedm variant provozu lišících se jak dispozicí vrtů, maximálním výkonem tepelných čerpadel, použitím vody místo nemrznoucí směsi a maximální provozní teplotou na straně kondenzátoru.

Referenční varianta V0 měla za cíl nastavit srovnávací úroveň pro další zkoumané varianty optimalizovaných řešení systému, od změn parametrů použitých prvků po změny nastavení regulace. Výkon tepelných čerpadel navržený pro monovalentní provoz při daných klimatických podmínkách bez problémů umožňuje celoroční provoz tepelných čerpadel pro vytápění a chlazení s vysokými topnými a chladicími faktory. Z referenční varianty vyplývá, že návrh instalovaného výkonu tepelných čerpadel na 70 % odběrové špičky s využitím akumulace tepla 20 l/kW instalovaného výkonu umožňuje pokrýt 100 % potřeby energie na vytápění a 100 % potřeby energie na chlazení. Navržené pole zemních vrtů umožňuje absorbovat tepelnou zátěž odváděnou z budovy bez potřeby záložního chladiče pro odvod tepla.

Varianta V1 ukázala, že v případě cenové výhodnosti provádění mělkých vrtů je možné změnit rozteč a hloubku sond při zachování jejich celkové délky. Energetickou bilanci systému to neovlivní.

Z varianty V2 vyplývá, že snížení nastavené teploty v zásobníku pro zemní vrty (pro odvod tepla) pod 44 °C umožňuje sice snížit jeho provozní teplotu v extrémech roku, avšak bez výrazného využití venkovního chladiče a bez vlivu na celkovou energetickou bilanci tepelných čerpadel.

Ve dvou variantách V3a a V3b byly definovány potřebné instalované výkony plynové kotelny při snížení návrhového výkonu tepelných čerpadel pro vytápění za daných klimatických a provozních podmínek. Zároveň byly stanoveny potřebné dodávky tepla z plynové kotelny pro krytí potřeb, ze kterých lze určit potřebu energie zemního plynu a případně vliv na provozní náklady.

Varianta V4 ukázala, že provoz zemních vrtů s vodou jako teplonosnou látkou je možný, ovšem za předpokladu záložního zdroje tepla – plynové kotelny s min. výkonem 2 MW pro krytí špičkové dodávky tepla 51 MWh.

Použití adiabatického chladiče pro vysokoteplotní chlazení ve variantě V5 snižuje sice dodávku energie na chlazení z tepelných čerpadel, avšak bez zvýšení efektivity provozu celého systému (snížení potřeby elektrické energie o cca 1 %, avšak vykompenzované spotřebou elektrické energie ventilátorů).

Závěr

Komplexní počítačové simulace zpracované ve třech etapách výrazně přispěly k dimenzování a prověření funkce systému a návrhu provozu klimatizace nově stavěné administrativní budovy. První etapa umožnila vyhodnocení vlivu stínění, použitého zasklení a poskytla podklady pro další energetické výpočty, stejně jako pro případné hodnocení budovy. Druhá etapa detailně posoudila použitelnost aktivace betonu a vliv parapetu na vnitřní prostředí. Třetí etapa poskytla podklady pro návrh zdroje chladu a tepla, tepelných čerpadel a zemních vrtů.

Poděkování: Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Použitá literatura

• [1] WIESNER J. Dynamická Energetická Simulace – Fáze 1. Ekowatt, Praha, 2014.
• [2] BARTÁK M., LAIN M. Dynamická Energetická Simulace – Fáze II. ČVUT v Praze, Praha, 2014.
• [3] CLARKE J. A. Energy Simulation in Buidling Design. 2^nd ed. Oxford (UK): Butterworth Heinemann, 2001.
• [4] LAIN M., ŠOUREK B., MATUŠKA T. Optimalizace provozu zdrojů tepla a chladu pomocí dynamické simulace (Fáze III), ČVUT v Praze, Praha, 2014.

Časopis Vytápění, větrání, instalace

VVI - odborný časopis Společnosti pro techniku prostředí určený především pro projektování a studium. Český odborný časopis pro techniku prostředí začal vycházet v roce 1958 pod názvem Zdravotní technika a vzduchotechnika (ZTV), v roce 1992 byl změněn ...

Více o firměChci další informaceWebové stránky