Zhoršenie tepelného komfortu počas horúcich letných dní sužuje obyvateľov bytových domov už niekoľko rokov a podľa prognóz vývoja globálnej klímy sa to tak skoro nezlepší. V simuláciách modelov vykurovania a chladenia má správne zadanie denných rozvrhov vnútorných tepelných ziskov kľúčový význam pre spoľahlivé výsledky a návrh technického zariadenia. V texte je uvedený príklad rozvrhu pre modelový bytový dom, zostavený na základe doterajších zvyklostí ako aj novších štatistických štúdií zo zahraničia, a popísaný je aj praktický doplnok pre Excel, ktorého použitie pomôže pri rýchlom zadaní a výpočte tepelných ziskov.
Prečo sú vnútorné tepelné zisky dôležité
Základná slovenská tepelnotechnická norma STN 730540:2012 v článku 7.2.3 uvádza, že budovy na bývanie majú byť navrhnuté tak, aby nebolo potrebné zabezpečovať tepelnú pohodu počas letného obdobia klimatizáciou. Predstava je taká, že teplo z vyšších vnútorných tepelných ziskov v určitých fázach dňa sa bude akumulovať do stavebných konštrukcií a v inej fáze dňa, najmä v noci a ráno, sa má vetraním z interiéru odviezť. Funkčnosť takéhoto návrhu sa preukazuje výpočtom pre kritický deň s hodinovým časovým krokom. Vnútorné tepelné zisky sa do výpočtu zadávajú s denným rozvrhom, pričom nie je presne stanovené ako takýto rozvrh vytvoriť.
Modelovanie rozvrhov vnútorných tepelných ziskov
Problematika denných rozvrhov vnútorných tepelných ziskov je úzko spätá s modelmi obsadenosti bytu, kancelárie či inej miestnosti. Pri tvorbe režimu vnútorných tepelných ziskov sa môžu používať vhodne zvolené extrémne, alebo štatisticky priemerné hodnoty. V prvom prípade je potrebné správne zvoliť reprezentatívny rozvrh. Pretože žiadna norma nemôže presne vystihnúť reálne vnútorné tepelné zisky obytného priestoru, je vhodné sa oprieť aspoň o niekoľké štatistické výsledky, napr. priemernú ročnú spotrebu energie a podobne.
Štatistiky s priemernými hodnotami obsadenosti sa môžu od seba líšiť a to podľa zvyklostí využívania času v jednotlivých krajinách. Ak ide o štatisticky priemerné hodnoty, obsadenosť takmer nikdy nie je nulová a prechody z minimálnej na maximálnu obsadenosť sú pozvoľné, trvajú niekoľko hodín. Obsahujú aj určité iracionálne správanie a majú vyššiu mieru spoľahlivosti.
Štyri základné profily obyvateľov
Model obsadenosti bytového domu sa v skutočnosti vždy skladá z obyvateľov s odlišným správaním. Zo štatistického súboru 15 000 domácností v severoamerickom Massachusetts boli vybrané štyri profily obyvateľov s charakteristickým správaním, čím sa myslí čas odchodu z bytu a čas príchodu do bytu. Prvým je obyvateľ, ktorý z bytu odchádza zriedkavo. Reprezentuje človeka na dôchodku, pracujúceho z domu, materskej dovolenke alebo v chorobe. Druhý profil obyvateľov za rána odchádza z bytu do práce a vracia sa neskoro popoludní. Tretí profil obyvateľov odchádza z bytu ráno o niečo neskôr, ale vracia sa už skoro popoludní. Predstavuje najmä školopovinné deti a mládež. Posledný profil nezapadá do žiadnej z týchto schém, pretože zväčša v byte dopoludnia ostáva a odchádza popoludní, pričom sa vracia až neskoro večer. Model obsadenosti konkrétneho bytu alebo bytového domu je možné vyskladať z týchto štyroch profilov obyvateľov.
Prečítajte si tiež: Sprievodca kombináciou vitamínov
Typy režimov a ich vplyv na simulácie
V simulačných štúdiách sa v minulosti vytvárali relatívne jednoduché režimy, ktoré rozdeľovali deň do niekoľkých fáz s konštantnou hodnotou (napríklad ráno, cez deň, večer a v noci), oproti súčasným komplexnejším, ktoré menia hodnoty každú hodinu. Nakoľko simulácie majú byť reprezentovaním reálnych skutočností v počítači a v realite sa počet ľudí v miestnosti počas dňa významne mení, za akceptovateľné v simulačnom výpočte by sa malo považovať len používanie modelov s hodinovým rozvrhom.
Pri tvorbe rozvrhu tepelných ziskov z osvetlenia je potrebné vziať do úvahy rozdiely v používaní osvetlenia v rámci ročných období. V čase, keď hodnotíme letné prehrievanie, je vždy slnečný deň s vysokými hodnotami jasov a vnútorné tepelné zisky z osvetlenia budú aplikované len vo večerných hodinách. Je to rozdiel oproti kancelárii, kde sa požaduje vysoká úroveň osvetlenia aj počas dňa.
Diverzifikácia vs. celoplošné zadávanie
Celoplošná hodnota vs. Diverzifikácia - jednotný rozvrh tepelnej záťaže od ľudí môže byť aplikovaný pre všetky miestnosti v byte, alebo každá jedna miestnosť bude mať svoj vlastný rozvrh. Najkomplexnejšou formou zadávania tepelných ziskov je zadávanie rozvrhu s diverzifikáciou a koreláciou na vnútornú klímu. Najjednoduchším spôsobom zadávania je naopak fixná hodnota aplikovaná celoplošne bez korelácie na vnútornú klímu.
Izolovaný prístup vs. Korelácia - tepelný zisk od jednotlivého človeka môže byť zadaný pevnou hodnotou, alebo hodnotou, ktorá sa bude meniť podľa tepelných podmienok v danej miestnosti. To však vyžaduje robustnejšie numerické modely s dynamickou koreláciou veľkosti tepelnej záťaže od ľudí a klimatických podmienok v miestnosti. Ak takáto možnosť nie je, minimálne je možné zohľadniť vzostup a pokles teploty vzduchu v dennom harmonograme tepelnej záťaže.
Simulačný príklad: modelový bytový dom v EnergyPlus
Z dôvodu poukázania na rozdiely vo výsledkoch simulácie letného prehrievania bytu pri použití celoplošnej hodnoty a rozdelení (diverzifikácie) vnútorných tepelných ziskov podľa druhu miestnosti bol vytvorený modelový príklad simulácie medziľahlého podlažia bytového domu sústavy T06B v programe EnergyPlus. Obalové konštrukcie modelu tvorí panel z troskomezobetónu hrúbky 300 mm zateplený penovým polystyrénom hr. 200 mm a okná s tepelnoizolačným trojsklom a vnútorným tienením tkaninou. Vnútorné nosné steny sú zo železobetónu s hrúbkou 150 mm, priečky s hrúbkou 80 mm. Stropnú konštrukciu tvorí železobetónový panel hrúbky 120 mm. Skladbu podlahy tvorí penový polystyrén hrúbky 15 mm, betónová mazanina hrúbky 38 mm a podlahovina z PVC.
Prečítajte si tiež: Kanabidiol a zdravie
Použitý bol letný týždeň klimatického referenčného roku pre mesto Ostrava z databázy IWEC. V augustový týždeň, s typicky teplým počasím, teplota vonkajšieho vzduchu zo dňa na deň stúpa. Nočné vetranie má priemernú intenzitu zodpovedajúcu oknu otvorenému vo ventilačnej polohe (1,0 1/h). Nižšia výmena vzduchu je viac-menej aj cez deň (2,0 1/h) s tým, že k intenzívnemu vetraniu otvorením okna dokorán (4,0 1/h) dochádza len ráno a večer.
Na obr. 7 a obr. 8 sú dokumentované priebehy simulovanej teploty vzduchu v jednotlivých miestnostiach podľa spôsobu modelovania vnútorných tepelných ziskov. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou sú dosiahnuté nižšie maximálne teploty v kritických miestnostiach (obývačka a kuchyňa). Rozdiel vo výsledných simulovaných teplotách vzduchu v interiéri ovplyvňuje aj uvažovanie s miešaním vzduchu cez interiérové dvere. Teplejší vzduch v miestnosti s vyššími vnútornými ziskami (kuchyňa, obývačka) sa môže miešať cez obojsmerný komponent so vzduchom v chladnejších miestnostiach (chodba, spálňa a pod.). V prípade tejto simulačnej štúdie, ak sa simuluje miešanie vzduchu medzi miestnosťami cez komponent s konštantným obojsmerným prúdením 0,1 m3/s, rozdiel v maximálnej teplote vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami bytu môže významne klesnúť.
Praktické dôsledky z modelovania
Reprezentovať realitu pri simuláciách býva často zložité pre vplyv mnohých premenných na výsledok. Ako ukazuje simulačná štúdia, vplyv aplikácie vnútorných tepelných ziskov do konkrétneho režimu ako okrajovej podmienky má tiež nezanedbateľný vplyv na výsledok simulácie letného prehrievania. V prípade modelovania celoplošnou hodnotou (vo W/m²) sú dosahované významné rozdiely v teplotách v kritických miestnostiach. V miestnosti s menšími vnútornými ziskami sú simulované maximálne teploty len málo ovplyvnené spôsobom modelovania. Toto tvrdenie platí v prípade, že je vytvorený model bez miešania vzduchu medzi jednotlivými miestnosťami. Už aj malé miešanie vzduchu cez dvere významne zmenší rozdiel v maximálnej simulovanej teplote vzduchu medzi miestnosťami.
Doplnok pre Excel - praktický nástroj na výpočet tepelných ziskov
Pre zjednodušenie výpočtu tepelných ziskov je k dispozícii doplnok (súbor typu *.xlam) pripravený k použitiu v Exceli. Základným súborom je doplnok, ktorý po umiestnení do zvoleného adresára a registrácii medzi doplnkami je následne k dispozícii vždy po otvorení Excelu. Veľkosť súboru archívu je približne 252-321 kB v závislosti na verzii. K použitiu je priložený textový súbor s popisom inštalácie a menu, ktorým sa aplikácia ovláda.
Sešit obsahuje 4 pojmenované listy. Na prvom listu s názvom ZADÁNIE sú uložené obecné hodnoty pre výpočet, ktoré je možné upraviť podľa potreby konkrétneho výpočtu. Výpočet je možné proviesť dvoma spôsobmi: pre jednu, alebo niekoľko miestností. Výsledok sa zobrazí na listu MÍSTNOSŤ a maxima objektu na listu OBJEKT. Pre detailnejšiu analýzu je potrebné zobraziť jednotlivé konkrétne položky výpočtu.
Prečítajte si tiež: Ovčie kiahne u detí
Možný spôsob inštalácie je popísaný v textovom súbore, ktorý je súčasťou archívu ke stažení. Po zaregistrovaní medzi doplnkami je aplikácia následne k dispozícii vždy po otvorení Excelu. V niektorých verziách Excelu a jeho nastaveniach môžu byť malé odchýlky zobrazenia, alebo je niekedy nutné aplikáciu restartovať.
Výpočet v doplnku je pripravený pre denné alebo hodinové rozvrhy (24 hodín; 12 mesiacov) v ktorých sú uvedené výpočtová maxima a rozpisy pre zadanú miestnosť jednotlivých položiek tepelných ziskov. Cieľom výpočtu je získať údaje pre ďalší návrh technického zariadenia zadaných priestorov. Doplnok umožňuje riešiť výpočet postupným ukladaním súborov (vždy po úprave zadávacích dát a výpočtu) a v prípade potreby vytvoriť alternatívne zadania.
Vstupy do výpočtu vnútorných tepelných ziskov
- Profil obsadenosti (hodinový harmonogram alebo štatistický priemer).
- Spotreba domácich spotrebičov a ich rozdelenie medzi sálavú a konvektívnu zložku (napr. chladnička: viac konvekcie; umývačka riadu: viac sálania).
- Osvetlenie a jeho sezónne použitie (v lete sa denne používa najmä večer).
- Miešanie vzduchu medzi miestnosťami (otvorené dvere, prúdenie vzduchu cez komponenty).
V dôsledku technologického pokroku pribúdajú v domácnosti spotrebiče (mikrovlnky, mrazničky, rýchlo-varné kanvice, umývačky riadu, sušičky, počítače a iné). Podiel malých spotrebičov na spotrebe elektrickej energie narástol zo 41 % v roku 2000 na 54 % v roku 2012, kedy priemerná ročná spotreba elektrickej energie spotrebičmi v domácnosti predstavovala 1 850 kWh. Najväčšími spotrebičmi energie sú chladnička, umývačka riadu, mraznička, pračka a sušička.
Odporúčania pre praktické použitie
- Používajte hodinové harmonogramy pri simuláciách, ak chcete realisticky zachytiť letné prehrievanie a akumuláciu tepla - hodinová metóda umožňuje detailnejší prístup k budove.
- Ak modelujete miestnosti bez miešania vzduchu, uvažujte diverzifikované rozvrhy tepelných ziskov podľa miestnosti (kuchyňa, obývačka vs. spálňa), pretože jednotné celoplošné zadanie môže skresliť maxima v kritických miestnostiach.
- Ak sa v reálnom modeli vyskytuje miešanie vzduchu medzi miestnosťami (aspoň malé), môže byť prijateľné zadávať vnútorné tepelné zisky celoplošne rovnakou hodnotou do všetkých miestností bez výraznej straty presnosti.
- Zohľadnite spotrebu zariadení a rozdelenie medzi sálanie a konvekciu podľa typu spotrebiča, pretože to ovplyvňuje tepelnú pohodu a rozloženie tepla v miestnosti.
- Pri použití Excel doplnku si vytvorte niekoľko alternatívnych scenárov (štatistický priemer, extrémny deň, variant s intenzívnym nočným vetraním) a porovnajte výsledky.
Úvod do kurzu Excel 365: z čoho sa skladá Excel
Pár slov o reprezentovaní reality
Dá sa predpokladať, že v čase maxima teploty vnútorného vzduchu si budú chcieť obyvatelia zabezpečiť zvýšený pohyb vzduchu (prievan) otvorením okien a dverí. Jednoznačná odpoveď na otázku, či bude model s určitým miešaním vzduchu cez dvere bližšie k reálnej prevádzke, alebo nie, tu nie je, pretože závisí od správania používateľov. Pri zostavovaní náhodných profilov sa používajú Markovove reťazce a výsledky zo simulačných programov, ktoré predpovedajú tieto náhodné procesy, sa sľubne zhodujú s realitou.
Tip na praktickú validáciu výsledkov
- Porovnajte simulované priebehy teplôt s meraniami v reálnych bytoch počas teplého obdobia.
- Otestujte citlivosť modelu na zmenu obsadenosti a na prítomnosť malého miešania vzduchu cez dvere (napr. 0,1 m3/s).
- V prípade významných rozdielov skúste upraviť režimy nočného vetrania a použitie vnútorných zariadení.
Užitočné vstupy a zdroje
Pri tvorbe rozvrhov a pri validácii modelov sa odporúča čerpať zo štatistických štúdií ako HETUS, publikácií o spotrebe domácností a odporúčaní noriem EN ISO 52016-1, STN 730540:2012 a príslušných národných noriem. Pre klimatické podklady je vhodné použiť databázy typu IWEC pre konkrétne mesto, alebo lokálne meteorologické zdroje.
Stručná technická pomôcka - kroky pri použití Excel doplnku
- Umiestnite súbor doplnku (*.xlam) do vybraného adresára a zaregistrujte ho v Excele cez správu doplnkov.
- Otvoríte list ZADÁNIE a upravíte všeobecné parametre (vnútorná cieľová teplota, predpokladaná intenzita vetrania, počet a typ miestností).
- Vyplňte GEOMETRIE pre jednotlivé miestnosti (plocha, objem, rozloženie miestností).
- Zadajte hodinový harmonogram obsadenosti a spotreby zariadení (24 hodín) pre každý typ miestnosti alebo použite štandardný profil.
- Spustite výpočet a skontrolujte výsledky na listoch MÍSTNOST a OBJEKT, prípadne uložte alternatívne scenáre.