Tepelné zisky z vnitřních vybavení administrativních budov

1. Úvod

V důsledku vývoje informačních technologií, a především jejich aplikací, došlo k významné změně v podílu vnitřních tepelných zisků na celkové tepelné zátěži pracovního prostředí administrativních budov. Tento trend spolu s posunem v pohledu na standardní kvalitu mikroklimatu pracovního prostředí, ke kterému v posledních letech došlo a dále dochází, mají za následek, že chladicí zařízení je stále ve větší míře považováno za běžnou, ne-li nutnou součást administrativních budov. Avšak chladicí zařízení, ať již v jakékoli podobě, tvoří nezanedbatelnou část investičních i provozních nákladů těchto budov.

V důsledku těchto jevů jsou zvyšovány požadavky na přesnost návrhů výkonů chladicích zařízení. V tomto příspěvku se zaměříme na stanovení tepelných zisků z vnitřních vybavení administrativních budov, jako jsou počítače, monitory, tiskárny, kopírky, faxy a skenery. Tento článek byl sestaven z výsledků rešerše provedené v rámci doktorského studia v Ústavu techniky prostředí na fakultě strojní ČVUT v Praze.

Nejdostupnějším výkonovým parametrem je bezpochyby příkon udávaný výrobcem. Hodnota příkonu pro zařízení, u kterého nedochází k odvádění tepelného výkonu jinak než pouze přes prostor, ve kterém je umístěno, je rovna tepelnému výkonu a tedy i tepelnému zisku. Tento předpoklad je splněn u naprosté většiny zařízení využívaných v administrativních budovách.

Otázkou tedy je, zda údaj o příkonu zařízení udávaný výrobcem odpovídá skutečným hodnotám příkonu zařízení za jejich provozu. Tímto bodem se zabývaly prakticky všechny studie provedené na toto téma. Výsledek je jednoznačný, hodnota uváděná výrobcem jako příkon neodpovídá reálnému maximálnímu příkonu, a tedy i výkonu zařízení, ale odpovídá maximální instalované kapacitě komponentů. Například skutečný maximální výkon pracovní stanice (počítač a monitor) se pohybuje podle studií Wilkins a kol. (1991) a Hosni a kol. (1999) v rozmezí 20 až 30 % v poměru k hodnotám udávaným výrobcem.

Pro správný výpočet tepelné zátěže z vnitřních zařízení je dále nutné stanovit radiační a konvekční tepelný tok z instalovaného zařízení. Teplo předávané do prostoru konvekcí má okamžitý vliv na tepelnou zátěž, kdežto teplo sdílené radiací je nejprve absorbováno do okolních stavebních konstrukcí nebo interiérových prvků, a teprve pak konvekcí ovlivňuje tepelnou zátěž prostoru se zpožděním vlivem částečné akumulace.

2. Postupy měření

Základním cílem většiny studií bylo stanovení hlavních výkonových parametrů, jako jsou skutečné tepelné zisky zařízení, nejčastěji ve dvou základních režimech - při chodu zařízení a v úsporném režimu, a snaha o rozdělení tepelného zisku na složky radiace a konvekce.

2.1. Měření tepelné zátěže
Měření skutečné tepelné zátěže bylo vždy realizováno měřením elektrického příkonu zařízení. V případě studií Wilkins a kol. (1991) a Wilkins a McGaffin (1994) byla maximální hodnota výkonu zařízení zaznamenávána v prvním případě manuálně a v druhém případě měřicím přístrojem automaticky. Průměrnou hodnotu vyhodnotil měřicí přístroj vždy za zvolenou periodu.

Nový koncepční přístup přinesla práce Hosni a kol. (1999), kde byl popsán jednoznačný postup stanovení maximálního a průměrného výkonu měřeného zařízení. Měření bylo prováděno v ustáleném stavu, kdy je zajištěno, že celkový tepelný zisk zařízení odpovídá elektrickému příkonu. Pro měření byl použit watthodinový elektroměr, který zaznamenával naměřené hodnoty každých 30 sekund po dobu 30 minut. Za maximální hodnotu tepelného výkonu byla považována maximální průměrná hodnota z šesti po sobě jdoucích měření (tedy průměrná hodnota z tříminutového intervalu). Hodnoty okamžitých výkonů, které jsou větší než takto zvolený maximální tepelný výkon, nelze považovat za směrodatné, protože tyto náhlé nárůsty výkonu nemají, vzhledem k tepelné setrvačnosti zařízení, vliv na tepelné zisky budovy.

2.2. Měření radiačních a konvekčních tepelných zisků
První prací zabývající se rozdělením tepelných zisků z kancelářských zařízení do jednotlivých složek byla studie Wilkins a kol. (1991). Tepelné zisky z povrchu zařízení byly stanoveny pomocí součinitelů přestupu tepla (h_rad a h_con [W/m² K] Recknagel a kol. (1990)) a měření povrchových teplot těchto ploch. Konvekční tepelný zisk z vnitřní části zařízení, ať nucený nebo přirozený, byl stanoven odečtením tepelného zisku z vnějšího povrchu od celkového tepelného příkonu, jehož měření bylo popsáno výše.

Velký pokrok v postupu stanovení tepelných zisků přinesl výzkumný projekt RP-822 ("Test Method for Measuring the Heat Gain and Radiant/Convective Split from Equipment in Buildings") asociace ASHRAE. V rámci tohoto rozsáhlého projektu byly stanoveny parametry měřicí komory a zařízení zajišťující odpovídající stav mikroklimatu - Hosni a kol. (1998), dále vhodné metody měření radiační složky tepelného zisku ze zařízení, včetně kalibrace čidel - Byron a kol. (1998).

Mezi základní tři metody měření radiační složky tepelných zisků patří: použití malé kalorimetrické komory, kde by tepelné zisky radiací byly určovány z nárůstu teplot stěn komory. Další metodou je použití infračervených snímků ke stanovení povrchových teplot zařízení a následný výpočet tepelných zisků radiací. Poslední metodou je použití radiometru k přímému měření tepelných zisků radiací. Použití pouze posledních dvou metod je praktické, obě tyto metody poskytují uspokojivé výsledky, jestliže jsou aplikovány správně. Z porovnání vybraných metod se zdá vhodnější metoda přímého měření tepelných zisků radiací. Tato metoda má následující výhody: nižší cena vybavení, jednodušší zpracování naměřených dat, vyšší míra automatizace měření a snazší měření zařízení s cyklicky se opakujícími procesy, u kterých je nutné stanovit průměrnou hodnotu radiace za cyklus.

Měření radiační složky tepelných zisků metodou přímého měření radiometrem by mělo být, dle výše uvedené studie, prováděno v měřicí komoře splňující následující požadavky:

• Komora by měla mít odpovídající rozměry tak, aby stěny nebyly výrazně tepelně ovlivněny radiací měřeného zařízení. Pro zařízení do výkonu 300 W je dostačující komora o šířce 3 m, délce 3 m a výšce 2,5 m (v tomto výzkumu byla použita komora o rozměrech 7,3 m x 4,9 m a výšce 2,7 m). Měřené zařízení by mělo být umístěno 0,6 m nad podlahou ve středu místnosti.
• Měřicí komora by měla být umístěna v prostoru s klimatizovaným stavem prostředí, se kterým by měla sousedit všemi šesti stranami. Jestliže některá ze stěn sousedí s venkovním prostředím, nebo s prostorem s neupravovaným stavem prostředí, měla by být izolována tak, aby se teplota povrchu stěny nelišila o více než 1 K od teploty vzduchu v měřicí komoře.
• Komora by měla být bez oken (v tomto výzkumu byla komora vybavena plexisklovým průhledítkem o rozměrech 572 x 279 mm ).
• Vnitřní povrchy komory (stěny, strop a podlaha) by měly být upraveny tak, aby jejich součinitel emisivity byl znám a ne menší než 0,8. V komoře by neměly být velké reflexní plochy.
• Veškeré vybavení by mělo být umístěno vně měřicí komory. Má-li však komora větší rozměry než výše popsané minimální rozměry, je možné vybavení umístit uvnitř komory, nejblíže však 1,5 m od měřeného zařízení.
• Při měření by neměl být v komoře žádný jiný významný zdroj tepelných zisků. Osvětlení může být zapnuté i během měření, ovšem ne s vyšším výkonem než 60 W. Všechna světla v průběhu měření by měla být opatřena stínítkem zabraňujícím expozici měřicí soustavy nebo měřeného zařízení.
• V blízkosti měřeného zařízení by neměla být naměřena zvýšená rychlost proudění způsobená přívodem vzduchu z klimatizačního zařízení (v tomto výzkumu byla rychlost vzduchu menší než 0,1 m/s).
• Během měření by teplota vzduchu neměla kolísat více než o 1 K. Průměrná teplota by měla být v rozmezí od 21 do 24 °C.

3. Výsledky měření

3.1. Výsledky měření výkonů jednotlivých zařízení
Obor informačních technologií je odvětví, které se velmi rychle vyvíjí i rozvíjí, proto budou v celém rozsahu uvedeny pouze výsledky nejnovějšího a současně nejrozsáhlejšího měření výkonových parametrů jednotlivých zařízení. Toto měření bylo provedeno v roce 1999 v rámci výzkumného projektu RP-1055 asociace ASHRAE a publikováno Hosni a kol. (1999). Nebude-li uvedeno jinak, všechny následující hodnoty, grafy a tabulky jsou převzaty, nebo vycházejí z hodnot uvedených v této publikaci. Při tomto měření bylo použito měřicích zařízení a metod použitých a ověřených v projektu RP-822, které byly popsány výše. Výsledky měření kancelářských zařízení jsou uvedeny v Tabulce 1.

Porovnání výkonů uváděných výrobcem se skutečnou naměřenou hodnotou je zobrazeno v Grafu 1. V Grafu 2 jsou zobrazeny stejné hodnoty, ale s omezenou hodnotou štítkového výkonu tak, aby zařízení s menším výkonem, kterých je většina, byla přehledně uvedena. Skutečný výkon představuje maximální výkon zařízení při provozním režimu, podmínky měření byly popsány výše. Z výsledků měření vyplývá, že poměr výkonů uváděných výrobcem k naměřeným hodnotám je pro většinu zařízení v rozmezí 50 až 25 %.

Graf 1 - Srovnání skutečných a štítkových výkonů (do 1500W)

Graf 2 - Srovnání skutečných a štítkových výkonů (do 500W)

Tabulka 1 - Výsledky měření výkonových parametrů jednotlivých zařízení

Výsledky vyhodnocení radiačního a konvekčního tepelného toku přinesly kompaktnější soubor hodnot oproti předchozímu případu. Neprovedeme-li hlubší rozbor výsledků, je možné říci, že z celkového tepelného zisku zařízení administrativních budov činí přibližně 20 % radiace a 80 % konvekce. Tyto hodnoty je možné výrazně zpřesnit a to ve dvou základních rovinách. První je dělení zařízení podle toho, zda jsou vybavena chladicím ventilátorem nebo nikoli. Znázornění výsledků měření s takto provedeným dělením je v Grafu 3 a Grafu 4. Při použití tohoto dělení dostáváme přesnější vyhodnocení výsledků.

Graf 3 - Radiační a konvekční tepelný tok u zařízení s ventilátorem

Graf 4 - Radiační a konvekční tepelný tok u zařízení bez ventilátoru

Z celkového tepelného zisku zařízení činí přibližně 10 % radiace a 90 % konvekce, je-li zařízení vybaveno chladicím ventilátorem, a přibližně 30 % radiace a 70 % konvekce, není-li zařízení vybaveno chladicím ventilátorem. Druhou možností vyhodnocení je stanovení radiační a konvekční složky pro jednotlivé druhy zařízení; toto dělení je uvedeno v Tabulce 2.

Tabulka 2 - Přehled radiačních a konvekčních tepelných toků zařízení

3.2. Tepelné zisky podle druhu zařízení
Nečastějším a také nejvhodnějším způsobem návrhu vnitřních tepelných zisků je zjištění instalovaných nebo navržených zařízení a snaha o správné stanovení jejich tepelných zisků. Proto bude v této části věnována pozornost jednotlivým druhům zařízení.

Počítač
Pod termínem počítač je myšlena kompaktní jednotka obsahující základní komponenty (základní deska, procesor, numerický koprocesor, operační paměť, cache paměť, CMOS paměť, pevné disky, rozhraní pevných disků, grafická karta, ...) i volitelné komponenty (mechaniky pružných disků, interní mechanika CD-ROM, interní mechaniky jiných diskových médií, zvuková karta, síťová karta, ...). Z tohoto popisu možného vybavení, nemluvě o odlišné konstrukci procesorů jednotlivých výrobců, je zřejmé, že jednoznačné stanovení tepelného výkonu podle jednoduchého kritéria je zcela nemožné. Toto tvrzení podporuje porovnání výsledků měření skutečných výkonů počítačů provedených v jednotlivých studiích, viz Graf 5.

Graf 5 - Výkony počítačů naměřené v uvedených studiích

Graf 6 - Závislost výkonu na velikosti monitoru

Na tomto místě je nutné upozornit, že u výkonových parametrů došlo k významným změnám, které se projevily ve dvou směrech. U počítačů s procesory Pentium začal být významný rozdíl mezi spotřebou energie při provozním a při úsporném režimu a to až o 18 W, dále se rapidně snížil rozptyl naměřených hodnot výkonu, které se pro nejnovější měření provedené ve studii Hosni a kol. (1999) pohybuje v rozmezí 53 až 54 W. Pro kvalifikované vyhodnocení těchto jevů bude však nutné provést studii zaměřenou na stanovení závislosti tepelných zisků na typu, výkonu a způsobu použití zkoumaného zařízení. Pro běžnou projekční praxi je vhodné držet se parametrů uvedených v Tabulce 3.

Tabulka 3 - Přehled maximálních výkonů počítačů

Monitor
Ve všech provedených studiích byly měřeny monitory pracující na principu katodové trubice, údaje o displejích z tekutých krystalů (LCD) nejsou bohužel k dispozici. Použití této technologie povede jistě k citelnému snížení tepelných výkonů monitorů. Z měření, které bylo provedeno v rámci studie Hosni a kol. (1999), sestavili autoři rovnici (1) vyjadřující vztah tepelného zisku monitoru Q [W] a velikosti úhlopříčky monitoru d [palce:in].

Tento vztah je pouze snaha o jednoduché vyhodnocení naměřených hodnot, nelze jej považovat za nalezenou fyzikální závislost. Platnost tohoto vztahu je uváděna v rozmezí velikosti úhlopříčky monitoru d od 14 do 20 palců. Tato závislost spolu s hodnotami, ze kterých byla vytvořena, a hodnotami z předchozí studie, byla zobrazena v Grafu 6. Doporučené tepelné zisky pro návrh jsou uvedeny v Tabulce 4.

Tabulka 4 - Přehled maximálních výkonů monitorů

Laserová tiskárna
Výkon laserových tiskáren je závislý především na velikosti tiskárny a stupni jejího využití. Malé stolní tiskárny jsou určené pro individuální využití a jen zřídka jsou použity pro rozsáhlejší tisk. Většinu provozního času tedy běží v úsporném režimu. Opakem jsou výkonné tiskárny určené pro tisková centra. Jejich provoz je často nepřetržitý, trvající i několik hodin. Z tohoto důvodu byl tepelný zisk laserových tiskáren rozdělen podle velikosti a stupně využití, viz Tabulka 5.

Tabulka 5 - Přehled maximálních výkonů laserových tiskáren

Kopírka
Ze čtyř testovaných kopírek byla pouze jedna malá stolní, ostatní byly výkonné kopírky užívané v tiskových centrech. Proto je rozsah výsledků prezentovaných v Tabulce 6 menší než v předchozím případě.

Tabulka 6 - Přehled maximálních výkonů kopírek

Mezi ostatní kancelářská zařízení byly zařazeny skenery, faxy a dnes již téměř nepoužívané jehličkové tiskárny. Tepelný zisk těchto zařízení je uveden v Tabulce 7.

Tabulka 7 - Přehled maximálních výkonů ostatních kancelářských zařízení

3.3. Současnost tepelných zisků
V předchozím textu byl popsán způsob stanovení a konkrétní naměřené hodnoty tepelných zisků a jejich radiační a konvekční složky. Pro správný výpočet tepelné zátěže administrativních budov potřebujeme znát ještě jeden významný parametr, a tím je současnost tepelných zisků od instalovaného zařízení. Již z termínu současnost je zřejmé, že jednotlivá zařízení v daném prostoru neběží ve stejném provozním režimu. Zařízení, která nejsou používána, přejdou po určité době do úsporného režimu nebo jsou vypnuta. Vliv současnosti je tedy tím větší, čím více zařízení ovlivňuje tepelnou zátěž ve sledovaném prostoru. Působí na ni i další vlivy. Má přímou vazbu na charakter práce a způsob, jakým jsou jednotlivá zařízení používána.
Stanovení současnosti tepelných zisků se věnovali ve své práci Wilkins a McGaffin (1994). Výzkum provedli v pěti administrativních budovách o celkové podlahové ploše 25 600 m². Ve všech budovách převažují velkoplošné kanceláře nad individuálními kancelářemi. Hustota pracovišť byla velká - s pracovní stanicí na každém pracovním stole.

Současnost tepelných zisků, tedy poměr aktuálního výkonu měřených zařízení k součtu maximálních výkonů těchto zařízení, se pohybovala pro jednotlivé budovy v rozmezí od 37 do 78 %, v průměru to bylo 47 %.

Graf 7 ilustruje poměr mezi štítkovým výkonem udávaným výrobcem, součtem skutečných maximálních výkonů a aktuálním výkonem. Uvedené údaje vyplývají z výše citované studie a představují průměrné hodnoty vztažené na jednotku plochy kanceláří. Z Grafu 8, který byl vypracován z výsledků studie, je zřejmý vztah mezi hustotou instalovaného výkonu a současností. Čím více zařízení je instalováno v určitém prostoru, tím více klesá současnost jejich provozu. Pro kvalifikované vyhodnocení tohoto jevu a dalších vlivů bude nutná podrobnější studie.

Graf 7 - Porovnání měrných výkonů

Graf 8 - Závislost současnosti zisků na hustotě výkonu instalovaného zařízení

4. Závěr

Tepelné zisky od vnitřního vybavení představují významnou část tepelných zisků klimatizovaných kancelářských prostor. Skutečné zisky jsou výrazně nižší nežli štítkové hodnoty instalovaných kancelářských zařízení. Štítkové hodnoty prezentují pouze součet max. příkonů všech komponent včetně rezervy; skutečný výkon i při plném zatížení je nižší, další snížení nastane vlivem nesoučasnosti a útlumových stavů.

Při uvažování jedné osoby na 10 m² a jedné pracovní stanice pro každou osobu lze počítat s výkonem 8-16 W/m² podle použitých výkonů počítačů, monitorů a počtu a parametrů tiskáren a faxů.

Vzhledem k neustálému vývoji výpočetní techniky je třeba pokračovat ve výzkumu tepelných zisků. Stále není plně dořešen aspekt tepla předaného radiací.

Rostoucí výkony procesorů vyžadují stále intenzivnější chlazení a tak se již objevují i kancelářské počítače s chlazením (vodní okruhy, nebo polovodičové chlazení). Je možné, že v budoucnosti bude možné i část tepla z kancelářských zařízení přímo odvádět.

Tato práce se zabývá běžnými kancelářskými zařízeními, pro výpočetní centra, serverové místnosti a speciální grafická zařízení je třeba vycházet z detailních informací výrobců, i když lze předpokládat, že skutečné výkony budou také nižší nežli štítkové hodnoty.

Literatura

• ASHRAE Handbook, Fundamentals, 2001, Chapter 29
• Wilkins, C.K., Hosni, M.H., Heat gain from office equipment, ASHRAE Journal, 2000 June, p. 33-43
• Hosni, M.H., Jones, B.W., Hanming Xu, Experimental results for heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings, ASHRAE Transactions, 1999, p. 527-539
• Hosni, M.H., Jones, B.W., Sipes, J.M., Hanming Xu, Total heat gain and the split between radiant and convective heat gain from office and laboratory equipment in buildings, ASHRAE Transactions, 1998, p. 356-365
• Jones, B.W., Hosni, M.H., Sipes, J.M., Measurement of radiant heat gain from office equipment using a scanning radiometer / Discussion, ASHRAE Transactions, 1998a, p. 1775-1783
• Wilkins, C.K., McGaffin, N., Measuring computer equipment loads in office buildings, ASHRAE Journal, 1994, 36(8), p. 21-24
• Wilkins, C.K., Kosonen, R., Laine, T., An analysis of office equipment load factors, ASHRAE Journal, 1991, 33(9), p. 38-44
• Recknagel, Sprenger, Hönmann, Handbook for Heating and Air Conditioning (Taschenbuch Für Heizung und Klimatechnik), R. Oldenbourg Verlag Müchen - Wein, 1990

Příspěvek byl vypracován s podporou MŠMT (Výzkumný záměr MSM 210000011).