Sledovanie vybraných parametrov vnútorného prostredia administratívnej budovy v zimnom období

Úvod

Moderné administratívne budovy súčasnosti sú spravidla projektované a realizované z hľadiska ich obalových konštrukcií ako energeticky úsporné s umožnením riadenej prevádzky zariadení techniky ich vnútorného prostredia. V príspevku sa venujeme kvalite tepelnovlhkostnej mikroklímy a aspektom, ktoré ju ovplyvňujú na konkrétnej budove administratívneho charakteru. Za miesto hodnotenia sme si vybrali jednu miestnosť – kanceláriu v budove Výskumného centra Žilinskej univerzity v Žiline (VC UNIZA) (obr. 1, 2). Predmetom meraní boli všetky fyzikálne zložky vnútorného prostredia, vplyv slnečného žiarenia cez okenné konštrukcie a teploty podlahy pri použití nizkoteplotného sálavého podlahového vykurovania. Popísané sú meracie metódy, získané výsledky meraní a vyvodené príslušné čiastkové závery pre chladné klimatické podmienky roka.

Podmienky vnútorného prostredia v administratívnych budovách

Podmienky na vnútorné prostredie budov určuje Zákon č. 355/2007 Z. z. [1]. Vnútorné prostredie budov musí spĺňať požiadavky na tepelno-vlhkostnú mikroklímu, vetranie a vykurovanie, požiadavky na osvetlenie, preslnenie a na iné druhy optického žiarenia. Fyzická osoba – podnikateľ a právnická osoba, ktoré prevádzkujú budovu určenú pre verejnosť, sú povinné zabezpečiť kvalitu vnútorného ovzdušia budovy tak, aby nepredstavovalo riziko v dôsledku prítomnosti fyzikálnych, chemických, biologických a iných zdraviu škodlivých faktorov a nebolo organolepticky zmenené.

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva Slovenskej republiky č. 259/2008 Z. z. [2] uvádza konkrétne požiadavky na vnútorné prostredie budov. Ďalšími faktormi, určujúcimi prípustné podmienky tepelno-vlhkostnej mikroklímy sú taktiež oblečenie ľudí a celková tepelná produkcia organizmu. Administratívne práce sú zaradené do triedy činnosti 1a (viď tabuľka 1) a celkový tepelný odpor odevu bol uvažovaný pre štandardné oblečenie R_cl = 1,0 clo.

Popis budovy a miestnosti

Predmetom hodnotenia je budova Výskumného centra UNIZA, ktorá bola cielene naprojektovaná a postavená v energeticky pasívnom štandarde (v ročnom chode by mali prevažovať energetické zisky z budovy, jej zariadení techniky prostredia a obnoviteľných zdrojov energie nad energetickými stratami súvisiacimi s jej celoročnou prevádzkou) a riadená inteligentnou prevádzkou (centrálny počítačový riadiaci systém). Podrobnejšie je popísaná v publikácii [3] a odbornej verejnosti bola predstavená po prvýkrát na vedeckej konferencii Tepelná ochrana budov 2017 [4]. Budova a jej technické, technologické a laboratórne vybavenie slúžia nielen pre účely administratívy a výskumných pracovísk, ale aj na experimentálny výskum, zameraný na navrhovanie a exploatáciu budov s čo najnižšou spotrebou energie pre pracoviská troch fakúlt UNIZA. Nemenej významným prínosom je jej funkcia predvádzacej budovy pre účely pedagogického procesu a edukácie pre odbornú a laickú verejnosť.

Obr. 1: Pohľad na administratívnu budovu s vyznačením posudzovanej miestnosti

Podrobný popis stavebného riešenia a alternatívnych systémov zariadení techniky prostredia budovy je možné nájsť v [3]. Vybraná miestnosť sa nachádza na 2. NP so západnou orientáciou (obr. 1, 2). Obvodová stena je zrealizovaná z pórobetónových tvaroviek, zateplená kontaktným zatepľovacím systémom s tepelnou izoláciou na báze minerálnej vlny hrúbky 200 mm (U = 0,140 W/(m².K). Okno v obvodovej stene je združené plastové, okenné vlysy sú zo šesťkomorových profilov s izolačným trojsklom a s celoobvodovým bezpečnostným kovaním (U_w = 0,880 W/(m².K). Na okne sú exteriérové žalúzie, umožňujúce ovládané buď automaticky s napojením na systém merania a regulácie budovy, ktorý dokáže automaticky zabezpečovať predvolenú vnútornú klímu v budove, alebo manuálne v každej miestnosti. Počas hodnotenia boli úplne vytiahnuté, aby neovplyvňovali výsledky meraní.

Hlavným zdrojom vykurovania budovy je podlahový systém s teplotným spádom 45/35 °C. Na udržanie navoleného teplotného stavu počas meraní boli v prevádzke na dodávku tepla použité len hĺbkové tepelné čerpadlá v celkovom počte 10 kusov. Prívod čerstvého vzduchu bol zabezpečovaný prirodzeným vetraním.

Obr. 2: Pôdorys a rez posudzovanou miestnosťou

Obr. 3: Vľavo stojan v interiéri s meracími sondami, vpravo meteo-stanica na fasáde budovy

Popis meraní

Metodika meraní a použité meracie prístroje boli zamerané na sledovanie objektívnych parametrov, ktoré charakterizujú kvalitu tepelno-vlhkostnej mikroklímy. Teplota vnútorného vzduchu, operatívna teplota, relatívna vlhkosť vnútorného vzduchu a rýchlosť vnútorného vzduchu boli sledované snímačmi, umiestnenými na stojane v strede miestnosti v rôznych výškových úrovniach (obr. 3 vľavo). Súbežne prebiehali merania intenzity slnečného žiarenia tesne za zasklením pomocou pyranometra a vnútorné povrchové teploty termočlánkami, umiestnenými na okne (obr. 4).

Na meranie jednotlivých hodnotených parametrov boli použité nasledujúce snímače s príslušnou špecifikáciou:

• sondy na meranie rýchlosti a teploty (pevné aj flexibilné vyhotovenie – stojan) – rozsah rýchlosti 0,05–5 m/s, indikácia až do 10 m/s, rozsah teplôt −20 °C + 80 °C, časová konštanta < 0,1 s, frekvenčná odozva (90%) – 2 Hz, presnosť 0–1 m/s: ± 2 %, 1–5 m/s: ± 5 %, 5–10 m/s: ± 10 %.
• sondy na meranie rýchlosti a teploty umiestnené na parapetnej doske (označenie v grafoch Sonda 1 ľavý okraj, Sonda 2 – stred okna, Sonda 3 pravý okraj) – rozsah rýchlosti 0,1–30 m/s, rozsah teplôt −20°C + 80 °C, časová konštanta pre rýchlosť: 2–3 s, časová konštanta pre teplotu: 4–5 s, presnosť 0,2–20 m/s: ± 2 %, 20–30 m/s: ± 5 %.
• sondy na meranie vlhkosti – merací rozsah: 0–100 % relatívnej vlhkosti, presnosť: 0–10 °C: ± 2 % RV, 10–30 °C: +1,5 % RV, 30–45 °C: +2 %.
• sonda na meranie operatívnej teploty – rozsah rýchlosti: 0–45 °C, presnosť: 0–10 °C: ± 0,5 K, 10–40 °C: ± 0,2 K, 40–45 °C: ± 0,5 K.

Všetky sondy boli napojené na meraciu ústredňu s časovým krokom 5 minút a následným zápisom hodnôt meraní do počítača.

Obr. 4: Rozmiestnenie snímačov vnútorných povrchových teplôt okennej konštrukcie

Meracia ústredňa umožňuje vyhodnocovanie údajov podľa normy ISO 7730 [5], ktorá je akceptovaná ako národný štandard od roku 2006 pre viaceré krajiny. Softvérom sa môže vyhodnotiť index PMV – stredný predpokladaný tepelný pocit, PPD – predpokladané percento nespokojnosti, DR – predpokladané percento ľudí obťažovaných prievanom.

Na meranie slnečného žiarenia sme využili dva pyranometre. Jeden bol umiestnený na fasáde v rámci meteo stanice (obr. 3 vpravo) a druhý v kancelárii za oknom. Počas týždňového merania sme zaznamenávali hodnoty a vykonali porovnanie pomeru množstva globálneho slnečného žiarenia dopadajúceho na fasádu a prepusteného cez okno do interiéru.

Za pomoci termočlánkov, ktoré sme rozmiestnili po celej vnútornej ploche okna (obr. 4) sme zisťovali rozloženie povrchových teplôt a vplyv slnečného žiarenia na ich priebehy.

Výsledky meraní

Do príspevku bol vybratý časový úsek jedného týždňa v mesiaci február 2019, kedy sa teplota vonkajšieho vzduchu pohybovala v rozmedzí od −8,3 °C do +20,3 °C (priemerná teplota +1,3 °C). Zohľadnené boli teda klimatické podmienky od pomerne nízkych záporných teplôt až po pomerne vysoké kladné hodnoty. Na obr. 5 sú zobrazené okrem teploty vonkajšieho vzduchu aj priebehy teplôt vnútorného vzduchu spolu s intenzitou slnečného žiarenia, meranou tesne pred fasádou vo vertikálnej rovine nad posudzovaným oknom a za oknom v úrovni stredu parapetu v horizontálnej polohe. Intenzita globálneho slnečného žiarenia dosiahla za jasného slnečného dňa maximálnu hodnotu 372 W/m², priemerná hodnota počas meraní bola 43,3 W/m². V interiéri aj vzhľadom na polohu pyranometra sa pohybovala len v rozmedzí od 0 do 57 W/m². Z priebehu teploty vnútorného vzduchu je možné vidieť, že podlahové vykurovanie dokázalo udržať teplotu vnútornej klímy v optimálnej úrovni 20 až 21,2 °C.

Obr. 5: Priebehy teplôt a intenzity slnečného žiarenia pred fasádou a za oknom

Graf na obr. 6 ukazuje vplyv intenzity slnečného žiarenia a pohybu slnka po oblohe na priebehy teplôt, snímaných za oknom na parapetnej doske. Najvyššie hodnoty boli zazanamenávané na ľavej strane okna (Sonda 1) a najnižšie v pravej časti (Sonda 3). Súvisí to s klesajúcou výškou slnka v čase. Z priebehu teploty vnútorného vzduchu je možné vidieť v prvej časti jej nastavenie pomocou systému regulácie na požadovanú hodnotu 20,9 °C a v druhej časti na 21,2 °C.

Obr. 6: Priebehy vnútornej teplôt v meranej miestnosti

Na obr. 7 sú ukázané priebehy teplôt na vnútorných povrchoch okennej konštrukcie. Najnižšia teplota (11,8 °C) ako aj najnižšia priemerná teplota (15,1 °C) bola nameraná v strede rámového vlysu medzi dolným a horným krídlom (snímač 105). Nasledovali meracie miesta v hornej časti stredového stĺpika (snímač 103) a v pravom dolnom rohu spodného okenného krídla (snímač 109). Pri porovnaní povrchových teplôt, meraných v strede horných sklených systémov môžeme konštatovať zhodu medzi obomi časťami v minimálnych a priemerných hodnotách, rozdiely sú v maximálnej dosiahnutej teplote, ktorá je v ľavej časti vyššia o cca 3,6 °C. V ľavej časti spodných zasklení je to podobné s výnimkou maximálnej teploty, ktorá bola v pravej časti vyššia (30,3 °C). Na všetkých povrchoch zasklenia boli priemerné tepoty počas meraní nad hodnotou 18 °C.

Obr. 7: Priebehy teplôt na vnútorných povrchoch okennej konštrukcie

Obrázkom 8 sme chceli dokumentovať priebeh teploty na povchu podlahovej konštrukcie vo vzťahu k operatívnej teplote. Podlahová teplota významne kopíruje teplotu vnútorného vzduchu (obr. 6). Operatívnu teplotu z hľadiska klimatických vplyvov významne ovplyvňuje jedine prechod tepla okennou konštrukciou, vplyv plnej časti obvodovej steny bol zanedbateľný. Jej rozsah bol zistený v rozmedzí od 19,4 °C do 21,3 °C s priemernou hodnotou 20,5 °C. Z obr. 8 je zrejmé, že s výnimkou dvoch krátkych časových úsekov boli po celý čas meraní dosiahnuté optimálne podmienky tepelno-vlhkostnej mikroklímy (tab. 2). Ostatné fyzikálne parametre neboli vzhľadom na predpísaný rozsah príspevku predstavené.

Obr. 8: Priebeh teploty na povchu podlahovej konštrukcie a operatívnej teploty

Závery

Stavebné riešenie budovy v kombinácii so zariadením techniky prostredia má za úlohu vytvoriť optimálne mikroklimatické podmienky vnútorného prostredia. Meraniami sme chceli overiť stav vnútorného prostredia „inteligentnej“ budovy VC UNIZA. Výsledky ukázali, že vplyv klimatických podmienok výrazným spôsobom neovplyvňuje stav vnútorného prostredia sledovanej miestnosti. Na udržanie teploty vnútorného vzduchu v optimálnych hraniciach počas chladného obdobia roku postačuje obnoviteľný zdroj energie – tepelné čerpadlá a regulácia vykurovacieho systému.

Chladné obdobie roku pre takýto typ budov teda nie je problémovým obdobím. Náročnejšie bude udržať parametre tepelno-vlhkostnej mikroklímy v hraniciach tepelnej pohody v letnom období, najmä z hľadiska prehrievania vnútorných priestorov. V súčasnosti prebieha naďalej monitorovanie budovy a po zistení skutkového stavu budú sledované klimatické vplyvy v kombinácii s variantnou polohou vonkajších žalúzií pri paralelnom sledovaní aj vizuálneho komfortu.

Poďakovanie

Práca prezentovaná v tomto článku bola podporená z grantového projektu VEGA č. 1/0945/16.

Literatúra

1. Zákon SR č. 355 z 21. júna 2007 o ochrane, podpore a rozvoji verejného zdravia a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
2. Vyhláška Ministerstva zdravotníctva Slovenskej republiky č. 259 z 18. júna 2008 o podrobnostiach o požiadavkách na vnútorné prostredie budov a o minimálnych požiadavkách na byty nižšieho štandardu a na ubytovacie zariadenia.
3. Ďurica, P. a kol.: Energetické a environmentálne navrhovanie a hodnotenie budov, EDIS UNIZA, ISBN 978-80-554-1296-2, Žilina, 2017, s. 401.
4. Ďurica, P. – Ponechal, R. – Rybárik, J.: Inteligentná budova Výskumného centra Žilinskej univerzity v Žiline. In: 19. medzinárodná konferencia Tepelná ochrana budov 2017, Vysoké Tatry – Štrbské Pleso, zborník konferencie, s. 192–197.
5. STN EN ISO 7730:2006 (83 3563) Ergonómia tepelného prostredia. Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestneho tepelného pohodlia.