ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STROJNÍ ÚSTAV TECHNIKY PROSTŘEDÍ
SÁLAVÉ VYTÁPĚNÍ A CHLAZENÍ S AKUMULAČNÍ HMOTOU
DIPLOMOVÁ PRÁCE
PAVEL TRČÁLEK
19 – TŽP – 2009
čwr
Vysoká škola: v Praze Ústav: technilcy prostředí
Fakulta: strojní Skolní rok: 2008/2009
ZADÁxÍDIPLoMovÉPRÁCE rnčÁlBK
Jméno studenta(kv):
Pavel
Obor:
Technika životníhoprostředí
Název tématu:
Sálavé vytápění a ch|azení s akumulačníhmotou
Zásady pro vypracování: Ve své práci se zabývejte systémy stropního a podlahového sálavého vytápění a chlazení s akumulačníhmotou. Proveďte rešeršik tomuto témafu. Zpracujte energetický model typického systému. Porovnejte rbzné varianý umístění topných/chladicích trubek a rťwÉmetody
simulace. V
případ ě,
že bude v
provozu stropní ch|azení v bloku A2 podílejte se na měření a monitorování dat.
.
á....r...
/
8002 '90
uqip o.o.....
U'\
\' n'\.\[\
'0t
eup ezBrd
^
(7šf ..:::::.T.i::.::::.
'til
o........
luuruoldrp
BC07'0t,'h
:eup lez^e{d acgrd g'rouroldtp IWpeZ
lcp"d Va.owoldp
a,
Js?^n Dqaq aIptuntpzuotl uaw[
n puaruold t1cÍut! ,,ímp,n14 wDuzas ,lcoilnzuu! t1cfinu1ís1soď nqry{$' s ,tcotttod ?I?nod ,pu1qsowos ,1wopp^ ou alaq gowo1dtg 1cpld noa'owo1d1p pa'on,tdÍa uauutod a! a7 F!? zaq (t 'g 'lspo 'ZT'l? UZS) noupef eznod lerro4edo eu?otu af. ZZS'lqgno>fz gupeip.tgz lu}91s pg,ro1edo o.td upu:a} Inoluepr4s uu{?p 1pm .uuguzn tueu€{?p epnqeu €Anltrlo oqeu .pn1uroau ?up9{ luopnls 1soupá1n>Is oln1 pn{od .Qzs Áu1uue1 elp ;tel95qtz) &1pno1z ?u?er?^gz lulgts luguo{ u}rlrrel F punl,su r^oluepnls uu{?p lpm ouugrrm ureuu{Qp
(t,,rouu1pp ;uel?ppo oqp[pnrs ut!^lc1upepsord 9uepe1ď) enn1uro epnq pn4od lpponr;pz putuesyd utspeld tsouQeln>ls otnl ueurlod e[ 'sup,r rcgrd nonouroldrp tuepqs ll-gpzAepoeN
8007'TT'71 800u'6'62
:ecg.rd gnouroldlp lugpz^opo
ulrurel
:acg.rd qnouroldrp !ugpuz IunlBO
ulBT
:luBllnzuox
pop141 'Eu1
selru€of uasueH .Jo
JoJd
:ecg.rd 9.roulo1d1p lcnopa^ E66T
..x pztueH ..t Bt{BJd ,acezt1eullpi € ecpo^BJd 1(>{sÁtIJ (t }u94?AficruqceJ :Á.ln1rre1ll guJoqpo uuuzes .n}Blu9l
;u'ed:apfu
>1
Áqepod a1q :Áng.rdz ;upol4rd quszog
'?1Eruar{3s z
r$e:g :rcsrd qc{r1cgu.r6 quszoll
Abstrakt Cílem diplomové práce “Sálavé vytápění a chlazení s akumulační hmotou” je podat základní informaci o sálavých systémech určených jak pro chlazení, tak i pro vytápění, a zároveň srovnání hodnot získaných pomocí simulací s měřením reálného systému Crittal v bloku A2 budovy fakulty strojní ČVUT.
Abstract The objektive of the diploma thesis „Radiant heating and cooling systems with a storage matter“ is to give a basic information what are these systems about. Moveover to compare the values obtained by simulation methods and values procured by measurement of the system Crittal at block A2 in the building of Mechanical Engineering CTU in Prague.
Seznam použitého značení α
součinitel přestupu tepla
[W/m2.K]
λ
součinitel tepelné vodivosti
[W/m.K]
ρ
hustota
[kg/m3]
cp
měrná tepelná kapacita
[J/kg.K]
E
energie
[J], [kWh]
Ek
intenzita osvětlení
[lx]
g
propustnost slunečního záření
[-]
I
intenzita větrání
[1/h]
l
délka
[m]
q
měrné teplo
[W/m2]
Rw
index zvukové neprůzvučnosti
[dB]
t
teplota
[°C]
T
termodynamická teplota
[K]
U
součinitel prostupu tepla
[W/m2.K]
Ug
součinitel prostupu tepla zasklením
[W/m2.K]
V&
objemový průtok
[m3/h]
Wcelk
energie vyzářená černým tělesem
[W/m2]
Seznam použitých zkratek MVM
model se vzduchovou vrstvou
MCHS
model s chladicím stropem
ESP-r
název simulačního software
1
Úvod Lidí na naší planetě neustále přibývá a tím přímo úměrně rostou i energetické nároky. Dnešní populace se odhaduje na 6,75 miliardy [L10] a při své činnosti spotřebují 400 ⋅ 1018 J/r energie [L11]. Z toho na vytápění a chlazení se spotřebuje více než polovina energie. Proto je na místě s energií šetřit a využívat ji pokud možno co nejefektivněji. Moderní tepelně izolované pláště budov vytvářejí nové předpoklady pro vytápění a chlazení místností. Díky snížené spotřebě energie přitom stojí v popředí teplo vznikající při nízkých teplotách a přirozené zdroje chlazení. Využívání přirozených zdrojů chlazení znamená pro chladicí systém nutné zvýšení teploty a většinou jde ruku v ruce se skutečností, že chladný vzduch je k dispozici po časově omezenou dobu. Na rozdíl od konvenčních systémů není proto možné tepelnou zátěž ihned odvádět, nýbrž je nutné ho z velké části někam dočasně uložit. K tomuto účelu se nejsnáze využijí tepelné energetické zásobníky, které jsou k dispozici v každé budově, a sice mezipodlažní stropy. Právě nově postavená Národní technická knihovna v areálu vysokých škol v Dejvicích, která se bude veřejnosti otevírat v lednu 2009, je ve skutečnosti pasivním domem, který je vybavený, mimo jiné, i aktivací betonového jádra, což je chladicí strop masivní konstrukce.
Cílem této diplomové práce je podat základní informaci o sálavých systémech určených jak pro chlazení, tak i pro vytápění, a zároveň srovnání hodnot získaných pomocí simulací s měřením reálného systému Crittal v bloku A2 budovy fakulty strojní ČVUT.
2
Teorie 1) HISTORIE, VÝVOJ A FUNKCE CHLADICÍCH STROPŮ Původní systém sálavých panelů znám pod názvem Crittal, poprvé objevili v Anglii už v roce 1926. Tehdy byl ale určen pouze pro vytápění. V České republice bylo tímto systémem vybaveno poměrně velké množství budov postavených v 50. a 60. letech 20. století. Rekonstrukce budov vybavených tímto systémem je nyní aktuálním tématem, a protože prostor pro instalaci vzduchového systému je velmi omezený, tak i možnost využití stávajícího systému pro chlazení může být určitým řešením[L1]. U chladicích stropů se využívá konstrukčních prvků budovy. Betonové stavební prvky mají tepelný akumulační účinek, dovedou teplo nebo chlad dobře přijímat a ukládat. Tato okolnost podmiňuje dobrou realizaci aktivace stavebních prvků. Pro tento systém se do betonových stropů vkládají plastové trubky, ve kterých cirkuluje voda. Tato voda chladí ohřáté díly, které dále ochlazují interiér budovy. Nebo je možné akumulovanou energii z budovy odebrat později, např. v nočních hodinách, kdy jsou v místnostech skoro nulové vnitřní tepelné zisky. Tento postup umožňuje obcházet špičky zatížení v systému. Během provozu ochlazené stavební prvky svým působením snižují teplotu. Díky velkým povrchům stavebních prvků se daří přenášet i při malých teplotních rozdílech pozoruhodné množství tepla mezi prostorem a stavebním prvkem. To umožňuje využít přirozené zdroje ke chlazení a nízkoteplotní teplo pro vytápění.
2) ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ CHLADICÍCH STROPŮ Chladicí stropy dělíme podle konstrukce na: a) Lehké chladicí stropy bývají pod betonovou deskou uloženy samostatně. b) Masivní chladicí stropy jsou tvořeny potrubním systémem vloženým do betonové stropní konstrukce, tzv. aktivace betonového jádra. Další rozdělení lehkých chladicích stropů je na: a) Otevřené chladicí stropy, které jsou typické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu až ke stropu. Zde převažuje konvektivní složka přenosu tepla mezi stropem a okolním vzduchem. b) Uzavřené chladicí stropy, kde naopak převažuje sálavá složka tepelného toku. Z toho důvodu by měly být uzavřené chladicí stropy na horní straně izolovány [L1].
3
2.1 Schématické řezy základními konstrukcemi chladicích stropů 2.1.1 Masivní chladicí strop jako součást stropní konstrukce
Obr. 1 Masivní chladicí stopní konstrukce Na obrázku č. 1 je ukázka masivního sálavého chladicího stropu umístěného v betonové stropní konstrukci opatřené izolací na horní straně aktivní plochy [L1].
2.1.2 Modulační klima deska
Obr. 2 Modulační klima deska Na obrázku č. 2 je znázorněna tzv. modulační klima deska, umístěná pod stropní konstrukcí. Desky, někdy nazývané jako rozlehlé sálající panely připomínají svou konstrukcí otopná tělesa. V některých aplikacích mohou být umístěny i na stěnách místností. Tato konstrukce však není příliš rozšířená [L1].
2.1.3 Chladicí panely umístěné v podhledové konstrukci opatřené izolací
Obr. 3 Chladicí strop v podhledové konstrukci
4
Jedno z nejčastějších řešení jsou chladicí panely umístěné v podhledové konstrukci opatřené na horní straně tepelnou izolací, jak je vidět na obrázku č. 3. Panely podhledové konstrukce jsou zpravidla z ocelového, pozinkovaného plechu s povrchovou úpravou [L1].
2.1.4 Lamelový chladicí strop upevněný na vodní potrubí
Obr. 4 Lamelový chladicí strop Na obrázku č. 4 je vidět provedení chladicího stropu ve formě lamel, upevněných na vodní potrubí, které je pevně fixované ke stropní desce [L1].
2.1.5 Otevřený chladicí strop v podobě protlačovaných profilů s vodními kanály
Obr. 5 Otevřený chladicí strop s vodními kanály Chladicí strop v podobě protlačovaných profilů s vodními kanály a vlisovaným měděným potrubím v otevřeném provedení je vidět na obrázku č. 5 [L1].
5
2.1.6 Kapilární systém umístěný v omítce
Obr. 6 Chladicí strop s kapilárním systémem Na obrázku č. 6 je poslední příklad chladicího stropu, tzv. kapilární rohože, které mohou být umístěny jak v kazetách podhledové konstrukce, tak pod omítkou stropu nebo bočních stěn. Rohože jsou tvořeny sítí tenkých plastových trubiček, do nichž je rozváděna chladicí voda. Všechny tyto typy jsou založeny na cirkulaci média, ať už vody nebo vzduchu, čímž dochází k dodávání, nebo naopak odebírání, tepla z daného prostoru [L1].
3) ZDROJE TEPLA A CIRKULACE VZDUCHU V PROSTORU V prostorech, které jsou vybaveny chladicími stropy, dochází k přenosu tepla sáláním a konvekcí. Vlivem tepelné konvekce, která vzniká podél vnitřních zdrojů tepla, se vzduch v prostoru přirozeně pohybuje. Typickým interním zdrojem tepla jsou přístroje a zařízení, jako např. obrazovky a počítače, osvětlení a samozřejmě lidé, užívající daný prostor. Lidské tělo odevzdává energii přijímanou stravou jako teplo svému okolí. Typickým externím zdrojem tepla je přímé a difuzní sluneční záření [Lxx]. Vznikající teplo od osob, přístrojů a slunečního záření se musí nejprve dostat do stavebního prvku. Tento mechanizmus transportu tepla závisí především na zdrojích tepla a na vlastnosti potrubního systému ve stavebním prvku. V teplotním rozsahu mezi 20-26°C, který je pro termoaktivní systémy stavebních prvků zajímavý, je cca 40% senzitivního tepla odevzdáváno konvekcí a 60% vyzařováním a vedením. Nejdůležitější veličiny, které mají největší vliv na tepelnou pohodu člověka, jsou teplota vzduchu a teplota okolních ploch. Průzkumy ukázaly, že pocit pohody roste, když se tyto hodnoty nacházejí v rozmezí od 20 do 24°C. Mělo by se dbát také na to, aby se teploty ploch obklopujících prostor příliš neodlišovaly, neboť jednostranný ohřev nebo chlazení není příliš vhodné.
Člověk si své hospodaření s energií udržuje senzitivním a latentním výdejem tepla. Pod
6
senzitivním výdejem tepla se chápe transport tepla konvekcí, vyzařováním tepla a vedením tepla na pevná tělesa při přímém dotyku. Latentní předávání tepla vzniká odpařováním. Sdílení tepla v místnosti s chladicím stropem je patrné z následujícího obrázku č.7.
Obr. 7 Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem 3.1 Přenos tepla vedením Pod vedením tepla rozumíme transport energie pod vlivem místního teplotního rozdílu. K transportu tepla pouze vedením dochází převážně v pevných tělesech, a závisí v podstatné míře na vlastnostech materiálu. Příkladem je transport tepla stěnou nebo obuví u člověka, který stojí na zemi. Teplo je vedením z nohou dodáváno přímo do země. Při přenosu tepla vedením nedochází k přímému ovlivňování teploty vzduchu.
3.2 Přenos tepla konvekcí Pod přenosem tepla konvekcí se rozumí transport tepla nosičem, v tomto případě vzduchem, na povrchovou plochu. Rozlišujeme mezi volnou a nucenou konvekcí. Volná konvekce je produkována výhradně na základě rozdílu hustoty příp. teploty v jednotlivých vrstvách vzduchu. Typickým příkladem je pokles chladného vzduchu na ploše nebo vzestup teplého vzduchu na těle člověka. Na rozdíl od toho je vynucená konvekce vyvolávána prouděním vzduchu na ploše. Příkladem je v tomto případě proudění produkované ventilátorem v nějakém tělese (např. počítač). K přenosu tepla konvekcí dochází prostřednictvím vzduchu v prostoru a konvekce tak přímo ovlivňuje 7
jeho teplotu. Teplo, které vydávají kancelářské přístroje jako třeba počítač nebo tiskárna, je vydáváno zejména prostřednictvím ventilátoru integrovaného do přístroje. Tento konvekční podíl tepelného zatížení činí cca 80 % celkového konvekčního zatížení.
Obr. 8 Výdej tepla u sedícího člověka 3.3 Přenos tepla radiací Pod přenosem tepla radiací tepla chápeme přímý přenos energie z jednoho tělesa na druhé elektromagnetickými vlnami. Ani zde tedy není přímo ovlivňována teplota vzduchu v místnosti. Způsob vyzařování je definován vlnovou délkou, respektive frekvencí. Energie vydávaná zdroji tepla je popsanými transportními mechanizmy pro přenos tepla dodávána přímo nebo nepřímo na plochy obklopující prostor. Zatímco předávání tepla vedením a vyzařováním prostřednictvím dlouhých vln probíhá přímo, podíl připadající na konvekci je dodáván vzduchem z prostoru na plochy, které prostor obklopují. Vzduch v prostoru přijímá energii ze zdrojů tepla volnou nebo nucenou konvekcí. Kvůli nízké hustotě a malé specifické tepelné kapacitě však vzduch téměř není schopen energii akumulovat. Proto musí být přijatá energie ihned opět předána.
8
Na jedné straně je toto teplo transportováno do případného stávajícího systému pro vzduchové chlazení a na druhé straně prostřednictvím volné konvekce na plochy obklopující prostor. Transport tepla konvekcí se však uskuteční pouze, když existuje teplotní rozdíl mezi teplotou vzduchu v prostoru a průměrnou teplotou na povrchu. Teplota vzduchu se tedy musí zvýšit do takové míry, aby přebytečná energie mohla být předána. Tento jev lze srovnat s prouděním viskózní tekutiny. Její proudění lze udržet pouze stále vytvářeným tlakem. Na jeho základě dochází k překonání trvalé ztráty vznikající třením. Proudění tepla přichází ze vzduchu na povrch také pouze na základě překonání odporu. Tuto souvislost lze vyjádřit ve zjednodušené podobě následující rovnicí.
q = α ⋅ (T1 − T2 )
[W/m2]
Proudění tepla se chová úměrně k rozdílu mezi teplotou vzduchu a teplotou povrchu. Faktor úměrnosti označujeme jako součinitel přestupu tepla konvekcí α [W/m2.K].
podlaha strop
chlazení 7 11
vytápění 11 6
Tab. 1 Součinitele přestupu tepla α V tabulce č.1 jsou uvedeny minimální hodnoty součinitele přestupu tepla. Samozřejmě
čím vyšší budou tyto hodnoty, tím účinněji bude probíhat přenos tepla z konstrukce místnosti do vzduchu.
9
4) CHLAZENÍ Aby mohlo dojít k samovolnému toku tepla mezi prostorem a stavebním prvkem, musí se teplota prostoru vůči teplotě prvku zvýšit. Z důvodů komfortu je toto zvýšení teploty omezeno na 2 až 3 K. Tím je tedy omezen i maximální chladicí výkon pro prostor. Nemělo by dojít k poklesu teploty na povrchu podlahy v prostoru sedícího člověka pod 20 °C. Z tohoto důvodu je třeba tepelné zatížení, které na tento prostor působí, omezit na minimum. Protože již většinou není možné ovlivnit výši interních zátěží, platí tento požadavek především pro sluneční zatížení. Nové technologie provedení oken umožňují redukovat vznik tepla v místnosti v důsledku slunečního záření. Ovšem tyto zdokonalené vlastnosti často kompenzují celé prosklené fasády, které přišly do módy. Například by na fasádě prostoru, který je obsazen z 15 m2 na každé pracoviště a vybaven běžnými počítači, nemělo být prosklená plocha větší než 75 až 80 % fasády, pokud je tento prostor přirozeně větrán a ochlazován prostřednictvím systému tepelné aktivace betonových prvků. Za předpokladu doplňujícího mechanického větrání by naopak bylo možné mít i plně prosklenou fasádu. Tepelné zatížení ze slunečního záření tedy i nadále hraje rozhodující roli, zejména v teplém ročním období. Vytvořit budovu, která by z větší části nepodléhala okolním vlivům, tedy není možné. Tepelný tok, který je ostatně omezený, nesmí být ještě komplikován dalšími tepelnými odpory, jako je podlahová krytina, dvojitá podlaha nebo dvojitý strop.
5) VYTÁPĚNÍ U vytápění se teplota nedá regulovat pomocí termostatických regulací, v důsledku velkých hmotností těchto prvků. Chování prostoru je tedy téměř výhradně řízeno samoregulací. Proto by měla být teplota vody na přívodu pokud možno co nejnižší. Pokud je termoaktivní systém stavebních prvků v zimě používán pro účely vytápění, je nutné věnovat pozornost dostatečné tepelné ochraně. Chybějící konvekce v oblasti oken zvyšují požadavky na kvalitu okenních tabulí, aby se zamezilo klesání studeného vzduchu, příp. lze tento problém řešit vytápěním okrajových zón.
10
6) DIMENZOVÁNÍ Vytápěcí, větrací a chladicí systémy musí být dimenzovány tak, aby tomu, kdo prostor využívá, vytvářely příznivé klima, a aby navíc ještě hospodárně nakládaly s potřebnou energií. Systém domovní techniky musí přitom splňovat nejrůznější požadavky. Část těchto kritérií je například stanovena v ISO EN 7730. Tepelná pohoda osob v místnosti je určována hlavně šesti faktory: -
teplotou vzduchu
-
střední radiační teplotou
-
vlhkostí vzduchu
-
rychlostí proudění vzduchu
-
činností, kterou osoba vykonává
-
oděvem
Termoaktivní systém stavebních prvků ovlivňuje především vyzařovanou teplotu a teplotu vzduchu. V létě je stavební prvek používán jako zásobník tepla. Aby stavební prvek mohl vůbec akumulovat energii, musí zvládat zvýšení své teploty. Společně se zvýšením teploty přiváděného vzduchu během dne vede toto ke zvýšení teploty v místnosti. Výzkum ukazuje, že změna teploty v rozsahu +/- 0,5 K/hod tepelnou pohodu nijak nepoškozuje. Z těchto důvodů se může teplota prostoru v létě zvýšit z uvedených 22 °C ráno na 26°C večer. V zimě musí stavební prvek být udržován na teplotě, kterou je možné krýt tepelné ztráty. Pokud se ale vyskytne tepelné zatížení, ať je to z vnitřního tepelného zařízení nebo ze slunečního záření, zvýší se rychle teplota v místnosti. Vzhledem k velké setrvačnosti stavebních prvků není možné v krátké době snížit jejich teplotu. Proto je výhodné při dimenzování teploty staveních prvků brát do úvahy všechny tyto faktory. Povolené jsou teploty na povrchu nižší než 20 °C, přičemž by nemělo dojít k poklesu pod teplotu rosného bodu. Ta při relativní vlhkosti 60 % činí cca 15,5 °C. Očekávaný výkon se tak zadanými daty pohybuje v rozsahu cca 50 až 95 W/m2 vztaženo na teplotu prostoru 26 °C.
Podle firmy Uponor, která se zabývá výstavbou sálavých systémů, je výkonová charakteristika pro chlazení cca 46 W/m2 při vnitřní teplotě 26 °C a teplotním spádu na straně vody 15/17 °C. Pro vytápění vychází cca 55 W/m2 při vnitřní teplotě 20 °C a teplotním spádu na straně vody 32/28 °C.
11
7) DODÁVÁNÍ ENERGIE Teplota podzemní vody je 10 až 14 °C se v případě vytápění pomocí tepelného čerpadla energeticky účinným způsobem zvýší na teploty od 26 do 28 °C. Tímto způsobem je možné ve srovnání s tradičními topnými systémy ušetřit asi 25 % primární energie. V případě chlazení je vhodná teplotní úroveň zeminy, respektive teplota podzemní vody k tomu, aby ji přímo přes výměník tepla uložily do systému tepelné aktivace stavebních prvků. Vedle chladu obsaženého v zemi, může cirkulující voda v létě být také ochlazována prostřednictvím studeného nočního vzduchu. Ukazuje se, že může být vyrobeno prostřednictvím přirozených energetických zdrojů asi sedmdesát až osmdesát procent chladicí energie. Chybějící potenciál dodá konvenční chladicí jednotka. Té je možné se vzdát pouze pokud přistoupíme na určitý kompromis v tepelné pohodě místnosti. Základní ventilace dodává podle potřeby uživatelům místnosti čerstvý vzduch. Při velmi vysokém zatížení je možné použít větrání také pro odvod konvekčního podílu tepelného zatížení.
8) PROSTOROVÁ AKUSTIKA Výkonnost termoaktivních systémů stavebních prvků je nejvyšší tehdy, když je k dispozici co možná největší volná plocha stavebních prvků. Takové akusticky tvrdé povrchy však mohou způsobit akustické problémy. Neobložený strop, který nepohlcuje hluk, od určité velikosti prostoru způsobuje rušivé dozvuky. Pro jejich vyřešení je třeba používat materiály absorbující hluk. Právě tyto materiály mají být montovány výhradně do otevřené rastrové konstrukce pod stropem, příp. se využije řešení v oblasti podlahy nebo ve zdi. Měření však ukázala, že plochy potřebné pro tlumení zvuku mohou být místo stropu uspořádány také na příčkách nebo na nábytku kanceláře. Ale bez koberců na podlahách se stěží obejdeme. Pokud to je možné, neměly by se před tepelně aktivované stavební prvky instalovat žádné konstrukce tlumící hluk, neboť ty zpravidla působí jako tepelná izolace, snižují vyzařování, a tedy i topný či chladicí výkon.
12
9) MONTÁŽ A PROVEDENÍ Během projektování, resp. během realizace projektů, se často objevuje otázka, zda kvůli montáži chladicího stropu nedojde ke zpoždění průběhu stavby. Dosavadní zkušenosti ukázaly, že zpožděním lze zamezit správným naplánováním stavby. Montáž plastových trubek musí být přímo začleněna do průběhu bednicích, vyztužovacích a betonářských prací. Na stavbě pracovníci nejdříve pod mezipatrový strop umístí připojovací skříně, do kterých budou později přivedena zásobovací vedení. Poté následuje pokládka trubek na spodní vyztuženou vrstvu. Když jsou zasazeny distanční držáky, upevní se na ně horní vrstva výztuže. Aby se zjistil případný průsak, jsou trubky před betonováním důkladně prohlédnuty. Tlaková zkouška provedená před a po betonování poskytne doplňující jistotu.
10) VÝHODY A NEVÝHODY SYSTÉMU Každé technické zařízení má vždy svoje výhody a nevýhody. V případě chladicích stropů je můžeme zjednodušeně popsat v následujících bodech [L1].
Výhody:
nízká spotřeba energie
kvalita tepelného komfortu
přívod minimálního množství čerstvého vzduchu
menší nároky na rozvody vzduchu
hlukové parametry
odpadá nebezpečí vzniku průvanu
"samoregulovatelnost" systému
Nevýhody: ×
omezení výkonu
×
investiční náklady
×
nebezpečí orosování
×
nelze jimi odvádět teplo vázané ve vodní páře
13
11) PROBLÉMY S KONDENZACÍ U CHLADICÍCH STROPŮ Z hlediska faktorů omezujících výkony u sálavých chladicích systémů je rozhodně riziko kondenzace. Teplota vody na přívodu do chladicího stropu se volí podle toho, aby nedocházelo k orosování povrchu. Přesněji řečeno povrchová teplota panelu musí být vyšší než teplota rosného bodu vzduchu proudícího kolem panelu, a to minimálně o 1 K. U lehkých chladicích stropů je možno kontrolovat povrchovou teplotu docela snadno. Díky rychlé odezvě systému se dá zamezit tomu, aby minimální povrchová teplota klesla pod teplotu rosného bodu. Bohužel u masivních chladicích stropů to není možné kvůli značné době zpoždění. Tento problém se většinou řeší změnou teploty přívodní vody. Konkrétně v našich podmínkách, tzn. v místnostech bez dalších zdrojů vlhkosti, se teplota vody na přívodu volí minimálně 16 °C, maximálně však 20°C. Teplotní rozdíl přiváděné a odváděné chladicí vody bývá v rozmezí od 2 do 4 K. Podle typu konstrukce dosahují chladicí stropy maximálních výkonů cca 80 W/m2, výjimečně až 100 W/m2 [L1]. Ale chladicím stropem je možné odvádět pouze citelnou tepelnou zátěž. Latentní teplo, tzn. teplo vázané ve vodní páře, je nutné odvádět průtokem vzduchu pomocí vzduchotechnického zařízení pracujícího součastně s chladicím stropem. Průtok vzduchu je ale většinou redukován pouze na minimální dávku čerstvého vzduchu. Nejčastěji bývá systém s chladicím stropem kombinován se zaplavovacím větráním. Aktivace stavebních prvků je dobrým doplňkem pro využití energie z prostředí prostřednictvím výměníku tepla, kterým protéká podzemní voda. Pro geotermální výměníky je možné předpokládat chladicí výkon 10 až 15 W/m2, který lze dodávat konstantně. Kancelářské prostory se pohybují v oblasti tepelné pohody, když je prostřednictvím vodního systému odváděno kontinuálně tepelné zatížení 20 W/m2. Když má být kancelářská budova ochlazována pouze pomocí geotermálního výměníku, lze pro dimenzování jako orientační hodnotu předpokládat dvojnásobnou užitnou plochu kanceláře. Rozumnou alternativou je odvádět část ochlazovacího zatížení větracím zařízením, které zajišťuje hygienickou výměnu vzduchu, a současně s tím regulovat obsah vlhkosti vzduchu. Lze tak zamezit poklesu teploty na povrchu chladicího stropu pod rosný bod.
14
12) MĚŘENÍ SÁLAVÝCH SYSTÉMŮ Z hlediska měření se sálavé systémy, tedy v tomto případě stropní chlazení a podlahové vytápění, měří podobnými přístroji jako např. otopná tělesa. Použitými měřicími přístroji jsou z pravidla rtuťové, kulové nebo dotykové teploměry, dále pak pyrometry, což jsou bezdotykové teploměry, které určují teplotu měřeného tělesa z teplotního záření, průtokoměry a termovizní kamery, pracující na principu termovize.
12.1 Zobrazovací bezdotykové teploměry (termovizní kamery) Termovizní systémy jsou založeny na principu zviditelnění tepelného záření, které objekty vyzařují do svého okolí. Jedná se o zobrazovací přístroje, které zobrazují tepelné rozdíly měřených objektů a nepotřebují k tomu osvětlení např. Sluncem, hvězdami nebo umělými zdroji. Následující obrázek č. x představuje spektrální teplotní vyzařovací schopnost těles podle Planckova zákona, jejichž teplota se pohybuje v obvyklém rozmezí. Uvedené křivky spektrálního vyzařování platí pro černá tělesa [L7].
Obr. 9 Spektrální teplotní vyzařovací schopnost těles
15
V porovnání se slunečním zářením jsou maxima intezity vyzařování těles, o teplotách v rozmezí od 60°C do -20°C, posunuta k podstatně delším vlnovým délkám, a leží v hlavním pásmu 8 až 12 µm. Druhé pásmo propustnosti atmosférou pro infračervené záření je v oblasti 3 až 5 µm. Z hlediska propustnosti a vyzařování těles není toto spektrum ideální, ale tyto nedostatky jsou vyváženy širší nabídkou detektorů pro tuto oblast spektra. Celková energie vyzářená černým tělesem Wcelk je pak dána Stefan-
Boltzmannovým zákonem: Wcelk = 5.7x10-8 T4
[W/m2],
kde T je teplota tělesa ve stupních Kelvina.
Většina těles se ale chová zcela odlišně a musíme je uvažovat jako šedé zářiče. U šedého zářiče je nutno brát v potaz nejen teplotu, ale i typ materiálu a povrchovou úpravu daného tělesa. Vyzářená energie šedého tělesa je pak dána součinem:
Wcelk x emisivita V tabulce č. 2 jsou uvedeny příklady emisivity pro některé materiály. Skutečnost však může být ještě komplikovanější a vyžaduje uvažovat emisivitu jako funkci vlnové délky a teploty. Může nabývat hodnot od 0 pro lesklé zrcadlo do 1,0 pro černé těleso. Většina organických, zoxidovaných povrchů má emisivitu blížící se hodnotě 0,95. Maximum vyzařování se posunuje směrem ke stále kratším vlnovým délkám při rostoucí teplotě měřeného objektu. Pro měření určitého rozsahu teplot je nutné mít před samotným senzorem optické filtry. Jimi jsou pak propouštěny jen vlnové délky odpovídající potřebnému rozsahu měření teplot.
materiál leštěný hliník leštěné železo zoxidované železo papír voda led
emisivita 0.03 0.20 0.75 0.92 0.94 0.97
Tab. 2 Tabulka materiálů a jejich emisivit
16
Z hlediska konstrukčních principů je registrace termovizního obrazu v podstatě analogická jako registrace obrazu na filmu nebo v lidském oku. U těchto detektorů je společné, že v obrazové rovině jsou umístěny světlocitlivé elementy, které zachycují obraz. Do ohniskové roviny objektivu se tedy umísťuje registrační plocha detektoru. Zvláštností termovizního záznamu je okolnost, že tepelné záření vyzařují všechny součásti termovizní kamery, tedy i objímky objektivu, zobrazovací čočky, a dokonce detektor sám. Aby se tomu zabránilo, je nutno zahrnou do přístroje další prvky, které pomáhají toto tepelné záření odclánět nezářivými clonami a navíc zajišťují dostatečné chlazení detektoru. Zřetelný princip funkce detektoru je znázorněn na obrázku č. 10.
Obr. 10 Schéma principu funkce detektoru termovizní kamery Pro naše měření v bloku A2 budovy fakulty strojní ČVUT byla použita termovizní kamera typu S65 značky Flir s rozlišením 320 x 240 pixelů. Spektrální rozsah této kamery je 7,5 až 13 µ m . To znamená, že se pohybujeme pouze v oblasti infračerveného záření, a ne v oblasti viditelného záření [L6].
17
12.2 Přímo měřící bezdotykové teploměry (pyrometry) Tyto měřicí přístroje jsou bezdotykové teploměry, které jsou schopny měřit teplotu pomocí laserového paprsku a zobrazit ji na displeji. Fungují na principu StefanBoltzmannova zákona, pomocí kterého se vyjadřuje celková vyzářená energie za jednotku času z jednotkové plochy absolutně černého tělesa (viz 12.1). Bezkontaktní měření teploty má své výhody i nevýhody.
Výhody:
rychlost měření
bezproblémové měření velmi vysokých teplot
nedochází k ovlivnění měřeného objektu
možnost měření i pohybujících se objektů
snadné měření teploty i na obtížně dostupných místech
měření probíhá bez rizika mechanických účinků na povrch měřeného objektu
Nevýhody: ×
měřený objekt musí být pro teploměr opticky viditelný
×
dá se měřit pouze povrchová teplota, vnitřní teplota měřit nelze
×
při měření je potřeba brát v úvahu emisivitu povrchu měřeného objektu
×
nutnost ochrany čidla před prachem a kondenzujícími kapalinami
Jaká šířka pásma je pro daný měřený objekt optimální závisí na jeho materiálu a jeho teplotě. Pro teplotu pohybující se v rozmezí pokojové teploty připadá v úvahu vlnová délka uprostřed infračerveného spektra záření. Teploty od 350°C mohou být měřeny pomocí IR fotodiod. Teploty od 700°C mohou být měřeny fotodiodou ve viditelném spektru záření [L8]. Bezdotykové teploměry jsou výbornými pomocníky u měření chladicích stropů a v mnohých případech jsou jednoduše nepostradatelné.
18
Simulace Počítačová simulace je metoda, při které se zkoumají vlastnosti libovolného systému pomocí experimentů s jeho matematickým modelem. Hlavní praktickou výhodou modelování je možnost pomocí pokusů a omylů vyřešit úlohy, které nemají analytické
řešení, nebo ověřit vlastnosti nákladných zařízení před jejich fyzickou realizací. Simulačních programů je celá řada, ale pro zjišťování tepelných bilancí a průběhu teplot uvnitř budov v různých ročních obdobích a denních hodinách jich zase tolik není. Daná problematika chladicích stropů byla tedy řešena v programu ESP-r, který je schopen tyto bilance určit a výsledky vyhodnotit jak číselně, tak i graficky. Navíc je schopen
řešit dynamické chování budovy v průběhu času, čímž je model o to věrohodnější, blížící se skutečnosti.
13) Model stropu se vzduchovou mezerou (MVM) Tento model popisuje místnost o rozměrech 5 x 5 x 2,7 m se vzduchovou mezerou o tloušťce 100 mm, ve které je vzduch o teplotě 22 °C. Teplota v místnosti není regulována, jde o volný tepelný tok. Vzduchová mezera má tloušťku 100 mm. Do místnosti je vloženo okno o rozměrech 3 x 2 m. Simulace byla uvažována pro letní období, tedy od 1. 5. do 30. 9. s hodinovým časovým krokem.
Obr. 11 Model stropu v ESP-r se vzduchovou vrstvou o tloušťce 100 mm 19
U stavby modelu byly použity různé konstrukce a materiály. Všechny použité materiály jsou uvedeny v tabulce č. 3, včetně jejich fyzikálních vlastností. Z hlediska konstrukcí byly použity tři druhy. Stěny, podlaha a strop. Stěny se skládají z vnitřní a vnější omítky o tloušťce 20 mm, z tepelné izolace o tloušťce 60 mm a z betonu o tloušťce 200 mm. Podlaha se skládá z betonu o tloušťce 200 mm, kročejové izolace tloušťky 30 mm, mazaniny tloušťky 60 mm a dlažby o tloušťce 10 mm. Strop se skládá pouze z betonu o tloušťce 200 mm bez tepelné izolace, kvůli co nejoptimálnějšímu přestupu tepla z vrstvy umístěné nad místností.
Beton Omítka Tepelná izolace Kročejová izolace Mazanina Dlažba
λ [W/mK] 1,74 0,8 0,04 0,043 0,96 1,01
cp [J/kgK] 1020 840 840 1150 840 840
3 ρ [kg/m ] 2500 1450 250 100 1200 2000
Tab. 3 Fyzikální vlastnosti použitých materiálů Tepelné zisky lze rozdělit do několika kategorií: -
od lidí
-
od osvětlení
-
od zařízení umístěných v místnosti
Přítomnost lidí byla uvažována od 8 do 17 h. Zisky od lidí jsou způsobeny metabolickým
teplem,
které
sálá
z každého
z nás.
V místnosti
se
nachází
3 sedící lidé, z toho důvodu jsou zisky 230 W citelného tepla a 120 W tepla latentního. Navíc v období polední pauzy od 12 do 13 h byly teplené zisky uvažovány poloviční, tzn. 115 W citelného tepla a 60 W latentního tepla. Tyto hodnoty byly určeny pomocí normy ČSN 73 0548 [L4]. U tepelných zisků od osvětlení byl výkon vztažen na předepsanou intenzitu osvětlení. Pro obytnou místnost je předepsaná intenzita osvětlení od 200 do 300 lx, pro učebnu se tato hodnota pohybuje od 300 do 500 lx. Měrná tepelná zátěž je 25 W/m2, která je dána
20
normou ČSN 73 0548 [L4]. Pokud tedy vynásobíme měrnou tepelnou zátěž půdorysnou plochou, dostaneme tepelné zisky na osvětlení 625 W. Nakonec je třeba ještě určit tepelné zisky od vnitřního zařízení, což při předpokladu jednoho počítače, bylo zvoleno 200 W. Ventilace ani infiltrace nebyla u modelu uvažována. V modelu bylo nastaveno klima pro Prahu.
Výsledky získané z modelu MVM Celková spotřeba energie pro chlazení vyšla 1958 kWh a pro vytápění 1041 kWh. Z toho tedy vyšel dosažený výkon přepočtený na plochu 39,6 W/m2 pro chlazení a následně 39,3 W/m2 pro vytápění. U toho modelu je zohledněno i vytápění, z důvodu udržení teploty 22 °C ve vrstvě.
Obr. 12 Průběh jednotlivých teplot v modelu MVM Minimální teplota v místnosti byla simulací určena 1. 5. v 5.30 h, a to 19,7 °C. Naopak maximální teplota byla určena 24. 8. ve 13.30 h, a to 35,5 °C. To znamená, že teplota se v místnosti pohybovala s teplotním rozdílem 16 K, což se kvůli dosažení tepelné pohody nepřípustné. Hlavním důvodem, že v místnosti byla tak vysoká teplota, bylo zanedbání infiltrace a ventilace. To má totiž odvod tepelné zátěže zásadní vliv.
21
Minimální teplota ve vzduchové mezeře byla simulací určena 1. 5. v 1.30 h, a to 20,6 °C. Naopak maximální teplota byla určena 21. 8. ve 19.30 h, a to 22,64 °C. Okrajová podmínka pro stropní konstrukci byla 22 °C, ale 1,5 K teplotního rozdílu je stále ještě nižší než 2 K, což je tolerance teplotního rozdílu pro regulaci. V grafu č.12 je znázorněn průběh teploty venkovního vzduchu, teploty v místnosti a teploty ve stropní konstrukci a to od 1. 7. do 14. 7. Z něho je vidět jaký vliv má venkovní teplota na průběh teplot vnitřního vzduchu. Dále je z grafu patrný průběh povrchové teploty stropní konstrukce. Z něho je vidět, že jeho průběh je daleko vyrovnanější, než průběh teplot vnitřního vzduchu v místnosti. Minimální teplota byla simulací určena 2. 6. v 10.30 h, a to 29,16 °C. Naopak maximální teplota byla určena 14. 7. v 17.30 h, a to 31,65 °C.
Při porovnání teplot vnitřního vzduchu v místnosti a povrchové teploty stropní konstrukce, zjistíme, že povrchová teplota je v podstatě střední průměrná teplota, teploty vnitřního vzduchu. Další zajímavostí je, že povrchová teplota se pohybuje kolem 30 °C, i když teplota ve vzduchové mezeře je pouhých 22 °C. Zajímavé ale je, že teplota venkovního vzduchu nikdy nepřesáhne teplotu vnitřního vzduchu. To je dáno jednak vnitřními tepelnými zisky od lidí, osvětlení a zařízení, ale také tzv. skleníkovým efektem. Propustnost zasklení dlouhovlnného záření je cca 10 %, ale propustnost krátkovlnného záření je cca 85 %. To způsobí, že teplo od slunečního záření projde přes zasklení do místnosti, ale plochy v místnosti o teplotě cca 20 °C vyzařující dlouhovlnné záření se odráží od zasklení zpět do místnosti, a tím pádem zvyšují teplotu vnitřního vzduchu [L2].
22
14) Model místnosti s aktivovaným chladicím stropem (MCHS) Tento model se skládá z místnosti o rozměrech 5 x 5 x 2,7 m. Do místnosti je vloženo okno o rozměrech 3 x 2 m. Simulace byla uvažována pro letní období, tedy od 1. 5. do 30. 9. s hodinovým časovým krokem. Výkon ve stopní konstrukci místnosti je 40 W/m2 a tudíž celkový výkon vztažený na půdorysnou plochu 25 m2 je 1000 W. Jedná se o maximální výkon jak pro chlazení, tak pro vytápění.
Obr. 13 Model místnosti v ESP-r s aktivovaným chladicím stropem U stavby modelu byly použity různé konstrukce a materiály. Všechny použité materiály jsou uvedeny v tabulce č. 3, včetně jejich fyzikálních vlastností. Z hlediska konstrukcí byly použity tři druhy: -
stěny
-
podlaha
-
strop
Stěny se skládají z vnitřní a vnější omítky o tloušťce 20 mm, z tepelné izolace tloušťky 60 mm a z betonu o tloušťce 200 mm.
Podlaha se skládá z betonu o tloušťce 200 mm, kročejové izolace tloušťky 30 mm, mazaniny tloušťky 60 mm a dlažby o tloušťce 10 mm.
Strop se skládá z betonu o tloušťce 200 mm a tepelné izolace o tloušťce 80 mm.
23
Tepelná izolace je umístěna nad aktivací betonového jádra, kvůli omezení tepelného toku stropem ven z místnosti. Naopak pod betonovým jádrem už prakticky nic nesmí bránit tepelnému toku do místnosti. Přítomnost lidí byla uvažována od 8 do 17 h. Zisky od lidí jsou způsobeny metabolickým teplem, které sálá z každého z nás. V každé místnosti se nachází 3 sedící lidé, tedy s minimálním tepelným tokem. Tím pádem jsou zisky 230 W citelného tepla a 120 W tepla latentního. Navíc v období polední pauzy od 12 do 13 h jsem uvažoval teplené zisky poloviční, tzn. 115 W citelného tepla a 60 W latentního tepla [L4]. U tepelných zisků od osvětlení výkon vztažen na předepsanou intenzitu osvětlení. Pro obytnou místnost je předepsaná intenzita osvětlení od 200 do 300 lx, pro učebnu se tato hodnota pohybuje od 300 do 500 lx. Měrná tepelná zátěž je 25 W/m2, která je dána normou ČSN 73 0548 [L4]. Pokud tedy vynásobíme měrnou tepelnou zátěž půdorysnou plochou, dostaneme tepelné zisky na osvětlení 625 W pro každou místnost. Nakonec je třeba ještě určit tepelné zisky od vnitřního zařízení, což při předpokladu jednoho počítače, bylo zvoleno 200 W. Ventilace ani infiltrace nebyla u modelu uvažována. V modelu bylo nastaveno klima pro Prahu.
Výsledky získané z modelu MCHS Celková spotřeba energie pro chlazení místnosti vyšla 1602 kWh. Z toho tedy vyšel dosažený výkon přepočtený na plochu 36,6 W/m2. Jelikož šlo pouze o letní období, nebylo u tohoto modelu vytápění potřeba. Minimální teplota v místnosti byla simulací určena 24. 9. v 6.30 h, a to 23,91 °C. Maximální teplota byla určena 8. 9. ve 14.30 h, a to 33,56 °C. Teplota se pohybovala s teplotním rozdílem 10 K, což je o 6 K menší teplotní rozdíl než u modelu MVM. Hlavním důvodem, že v místnosti byla tak vysoká teplota, bylo zanedbání infiltrace a ventilace, podobně jako u předchozího modelu. Na obrázku č.14 je znázorněn průběh teploty venkovního vzduchu, teploty v místnosti a povrchové teploty ve stropní konstrukci, a to od 1. 7. do 14. 7. Z něho je vidět jaký vliv má venkovní teplota na průběh teplot vnitřního vzduchu. Minimální povrchová teplota stropní konstrukce byla simulací určena 8. 6. v 10.30 h, a to 25,32 °C. Naopak maximální povrchová teplota byla určena 5. 8. v 17.30 h, a to 26,75 °C. Zároveň je 24
grafu patrné, že teplota stropní konstrukce je vyrovnanější než teplota vzduchu v místnosti, podobně jako u modelu MVM.
Obr. 14 Průběh teplot vnitřního vzduchu včetně venkovní teploty Dále je patrné, že chladicí strop není schopen udržet teplotu v místnosti od 20 do 27 °C danou regulací. Teplota vzduchu v místnosti roste až do teploty 33,5 °C, avšak maximální povrchová teplota stropu je pouze 26,75 °C, jak je dáno regulačním rozsahem.
Zhodnocení výsledků obou modelů Z hlediska porovnání výsledků obou předchozích modelů zjistíme, že se v mnohém podobají. Celková energie, která byla do stropní konstrukce dodána v modelu MVM je 1958 kWh a v modelu MCHS to je 1715 kWh. Když se to přepočítá na výkon vztažený na jednotkovou plochu, vyjde 39,6 W/m2 pro první model a 36,6 W/m2 pro druhý model, což můžeme považovat za prakticky stejné výkony. Avšak je pozoruhodné, že u modelu MVM vyšel chladicí výkon větší, než u modelu MCHS, při stejných počátečních podmínkách. Z hlediska porovnání teplot obou modelů vyplývá, že u modelu MVM teplota více kolísá v průběhu letního období, než u modelu MCHS, a to od 19,76 do 35,45 °C.
25
U modelu MCHS teplota kolísá pouze od 23,91 do 33,56 °C. Pozoruhodné ale je, že denní teplotní rozdíly jsou u modelu MVM nižší, než u modelu MCHS. U modelu MVM je teplotní rozdíl řádově 3 K, ale u modelu MCHS řádově 5 K. To je způsobeno tím, že vzduch je dodáván do vzduchové mezery MVM o stále stejné teplotě, zatímco u modelu MCHS chlazení neběží stále na plný výkon, ale cykluje. Funguje na principu regulace ON/OFF.
Obr. 15 Porovnání průběhů teplot obou modelů Při porovnání povrchových teplot stropních konstrukcí (obr. 15) jednotlivých modelů je zřejmé, že u modelu MVM je vyšší povrchová teplota stropní konstrukce než u modelu MCHS. To je způsobeno rozdílnou metodou dodávaní energie do stropní konstrukce. Tím pádem i teplota vzduchu v místnosti je u modelu MVM vyšší než u modelu MCHS.
I když každý model má své výhody i nevýhody, dá se říci, že oba modely jsou srovnatelné. Model MVM je ale složitější, a právě kvůli jednoduchosti modelu MCHS, a zaručením velmi podobných výsledkům, jako u modelu se vzduchovou mezerou, byl tento systém aplikován u modelu bloku A2 (viz kap. 15).
26
15) Model bloku A2 budovy fakulty strojní ČVUT Tento model popisuje část budovy, která se skládá ze šesti pater. Půdorys budovy je 14,2 x 30,4 m s výškou podlaží 3,6 m. Výkon ve stopní konstrukci místnosti je 40 W/m2. Musíme zde ale zohlednit fakt, že rozvod daného systému ve stropní konstrukci nebyl rovnoměrný. Např.: chodba v každém podlaží není opatřena rozvodem potrubního systému, a navíc v místnostech není rozmístění potrubí celoplošné. Tudíž celkový výkon se nedá vztáhnout na půdorysnou plochu, ale byl určen na 8 000 W. Jedná se o maximální výkon jak pro chlazení, tak pro vytápění. Navíc je potřeba zohlednit fakt, co se v jednotlivých patrech skutečně děje. V přízemí je studijní oddělení fakulty a v prvním patře je studovna, tudíž tyto dvě patra budou mít daleko vyšší tepelné zisky než patra vrchní, kde jsou učebny, které nejsou zdaleka tak intenzivně využívány. Z tohoto důvodu je potřeba budovu rozdělit na dvě
časti, z pohledu různých tepelných zisků, a to na spodní a horní část. Ve spodní části jsem uvažoval průměrně 12 lidí, z toho 8 z nich s mírnou aktivitou (74 W citelného tepla, 66 W latentního tepla) a 4 lidi přecházející (77 W citelného tepla, 83 W latentního tepla) [L3]. Dohromady tedy 900 W citelného tepla a 860 W latentního tepla. V horní
části budovy je průměrný pohyb osob nižší, tím pádem jsem uvažoval 8 lidí, z toho 6 s mírnou aktivitou a 2 z nich přecházející. Tudíž zisky v horní části budovy jsou 600 W citelného tepla a 560 W latentního tepla.
Obr. 16 Model bloku A2 o rozměrech patra 14,2 x 30,4 x 3,6 m 27
Přítomnost lidí bylo uvažováno vždy od 8 do 17 h, tím pádem byly teplené zisky zahrnuty pouze po tuto dobu. U tepelných zisků od osvětlení byl výkon vztažen na předepsanou intenzitu osvětlení. Pro učebnu se tato hodnota pohybuje od 300 do 500 lx. Měrná tepelná zátěž je 25 W/m2, která je dána normou ČSN 73 0548 [L4]. Pokud tedy vynásobíme měrnou tepelnou zátěž půdorysnou plochou, dostaneme tepelné zisky na osvětlení 10 800 W pro každé patro. Nakonec je potřeba ještě určit tepelné zisky od vnitřního zařízení. Zde musíme opět brát v potaz různé vybavení na jednotlivých patrech. Ve spodní části budovy je 10 počítačů, tudíž tepelné zisky od vnitřního zařízení tedy jsou 2000 W. Ve vrchní části budovy jsou na každém patře 2 počítače a jeden promítací přístroj „Meotar“, čímž tepelné zisky od vnitřního zatížení vychází 1000 W. Simulace byla uvažována pro letní období, tedy od 1.5. do 30.9. s hodinovým časovým krokem. Infiltrace byla u tohoto modelu uvažována 1,5 1/h za přítomnosti lidí, tedy od 8 do 17 h, a 0,2 1/h v době, kdy lidé v budově nejsou.
Složení zdí, použité materiály a tloušťky jednotlivých vrstev: Fasáda se skládá ze sádrokartonové interiérové desky o tloušťce 15 mm, za ní je umístěna zákrytová deska Certis o tloušťce 18 mm, a pak následuje parotěsná zábrana PE folie s výstužnou vložkou tloušťky 2 mm. Za touto vrstvou je tepelná izolace z minerální vlny tloušťky 140 mm, pak následuje vzduchová mezera o tloušťce 40 mm a poslední vrstvou je opláštění z vlnitého hliníkového plechu tloušťky 0,7 mm s výškou vlny 10 mm. Celková tloušťka fasády je 225 mm. Vypočtená hodnota součinitele prostupu tepla U = 0,281 W/m 2 K . Pro budovy s převažující vnitřní teplotou 20 °C je dle ČSN 73 0540-2 [L5] požadovaná hodnota U N = 0,30 W/m 2 K , tudíž daná
konstrukce vyhovuje.
Okna byla na budově použita různých typů, ale nejčastější jsou hliníková okna se součinitelem prostupu tepla zasklením U g = 1,7 W/m 2 K . Dle normy ČSN 73 0540-2 [L5] nesmí přesáhnout hodnotu U g = 2,0 W/m 2 K , tudíž normě vyhovuje. Propustnost slunečního záření g = 0,93 a index zvukové neprůzvučnosti R w = 37 dB . Zasklení se skládá z čirého izolačního dvojskla s argonem o celkové tloušťce 16 mm. Okna jsou na přechodech jednotlivých materiálů osazena hliníkovými lištami, kvůli zamezení tepelných mostů.
28
Další informace k vývoji modelu Nejprve byl model A2 vytvořen s chlazením 1000 W/patro, bez uvažování infiltrace, bez uvažování větrání a bez stínění. Výsledné teploty vyšly v rozmezí od 29 do 42°C. Potom byl chladicí výkon zvýšen na 8000 W/patro. Tím teplota v jednotlivých patrech poklesla o 3 až 4°C. Potom byla přidána infiltrace s výměnou vzduchu 1,5 1/h od 8 do 17 h, a 0,2 1/h od 17 do 8 h. Tím teplota v jednotlivých patrech významně poklesla na rozmezí od 16 do 28°C. Nakonec byla vyměněna původně zvolená okna s normálním zasklením za okna stíněná. Tímto krokem klesla teplota ve všech patrech o 1°C. Výsledná teplota se v patrech pohybovala v rozmezí od 15 do 27°C. Z toho vyplývá, že největší vliv na teplotu v místnosti má infiltrace, čímž vnitřní teplotu výrazněji ovlivňuje teplota venkovního vzduchu. U tohoto modelu byly uvažovány tři různé varianty:
15.1 Model bez regulace teploty V tomto případě není do budovy dodávána žádná energie, jak pro chlazení, tak i pro vytápění. Jde o tzv. „free floating“, což je způsob nekontrolované regulace bez dodávek energie.
15.2 Model s aktivovaným chlazením Chlazení je v tomto případě aktivní po celé letní období, tedy od 1. 5. do 30. 9. Výkon ve stopní konstrukci místnosti je 18,5 W/m2, a tudíž celkový výkon vztažený na půdorysnou plochu 432 m2 je 8000 W. Jedná se o maximální výkon pouze pro chlazení, protože vytápění není u tohoto modelu uvažováno.
15.3 Model s aktivovaným chlazením i vytápěním Chlazení i vytápění je zde aktivní po celý rok, tedy od 1. 1. do 31. 12. Výkon ve stopní konstrukci místnosti je 18,5 W/m2, a tudíž celkový výkon vztažený na půdorysnou plochu 432 m2 je 8000 W podobně jako u předchozího modelu. Jedná se o maximální výkon jak pro chlazení, tak pro vytápění. Výkon je v porovnání s běžnými chladicími stropy poměrně nízký. To je dáno tím, že trubky nejsou v objektu rozvedeny po celé ploše stropu rovnoměrně, tudíž výkon je
řádově poloviční.
29
15.1.1 Výsledky pro model bez regulace teploty Celková spotřeba energie jak pro chlazení, tak i pro vytápění vyšla nulová, z důvodu regulace pomocí tzv. „free floating“, což je způsob nekontrolované regulace teploty bez dodávek energie.
Minimální teplota ve spodní části budovy, tedy v prvním a druhém patře, byla simulací určena 22. 9. v 6.30 h, a to 14,57 °C. Naopak maximální teplota byla určena 8. 8. v 17.30 h, a to 36,49 °C. To znamená, že teplota se v místnosti pohybovala s teplotním rozdílem 22 K, což se kvůli dosažení tepelné pohody nepřípustné. V horní části budovy vyšla minimální teplota 22. 9. v 9.30 h, a to 14,02 °C. Maximální teplota vyšla 8. 8. v 17.30 h, a to 35,92 °C. Z těchto výsledků je pozoruhodné, že v horní části budovy vyšla nižší minimální i maximální teplota, než ve spodní části budovy. Na grafu č.17 je znázorněn průběh teploty venkovního vzduchu, teploty v místnosti a teploty ve stropní konstrukci, a to od 1. 7. do 14. 7. Z něho je vidět jaký vliv má venkovní teplota na průběh teplot vnitřního vzduchu.
Obr. 17 Průběh teplot u modelu bez chlazení včetně venkovní teploty
30
Graf č. 17 zároveň vypovídá o povrchových teplotách stropní konstrukce v jednotlivých patrech. Je z něj patrné, že teplota v 0. a 1. patře je o cca 0,5 K vyšší než teplota ve vyšších patrech. To je způsobeno vyššími teplotními zisky ve spodních dvou patrech. Minimální teplota ve spodní části budovy byla simulací určena 22. 9. v 8.30 h, a to 15,24 °C. Naopak maximální teplota byla určena 8. 8. v 19.30 h, a to 34,76 °C. Dále minimální teplota ve vrchní části budovy vyšla 22. 9. v 9.30 h, a to 14,69 °C. Naopak maximální teplota byla určena 8. 8. v 19.30 h, a to 34,21 °C. Z výsledků je patrné, že teplotní rozdíl na povrchu stropní konstrukce je 19 K. To má samozřejmě nepříznivý vliv i na tepelnou pohodu.
15.2 Výsledky pro model s aktivovaným chlazením
Celková spotřeba energie pro chlazení spodní části budovy vyšla 7488 kWh, tj. 3744 kWh na patro, a pro chlazení horní části budovy 13 104 kWh, tj. 3276 kWh na patro. Celkem bylo tedy spotřebováno 20 592 kWh energie. Z toho tedy vyšel dosažený výkon přepočtený na plochu 16,5 W/m2 jak pro spodní, tak i pro horní část budovy. Jelikož šlo pouze o letní období, nebylo u tohoto modelu potřeba vytápění. Minimální teplota ve spodní části budovy, tedy v prvním a druhém patře, byla simulací určena 22. 9. v 6.30 h, a to 14,55 °C. Naopak maximální teplota byla určena 8. 8. v 16.30 h, a to 28,73 °C. Ve vrchní části budovy vyšla minimální teplota 22. 9. v 9.30 h, a to 14,0 °C. Maximální teplota vyšla 8. 8. v 16.30 h, a to 28,52 °C. Z těchto výsledků je pozoruhodné, že v horní části budovy vyšla nižší minimální i maximální teplota, než ve spodní části budovy. Na grafu č.18 je znázorněn průběh teploty venkovního vzduchu, teploty v místnosti a teploty ve stropní konstrukci a to od 1. 7. do 14. 7. Z něho je vidět jaký vliv má venkovní teplota na průběh teplot vnitřního vzduchu.
31
Obr. 18 Průběh teplot uvnitř místnosti včetně venkovní teploty Graf č. 18 zároveň vypovídá o povrchové vrstvě stropní konstrukce jednotlivých pater. Minimální teplota ve spodní části budovy byla simulací určena 22. 9. v 8.30 h, a to 15,23 °C. Naopak maximální teplota byla určena 18. 8. v 17.30 h, a to 26,85 °C. Dále minimální teplota ve vrchní části budovy byla simulací určena 22. 9. v 9.30 h, a to 14,68 °C. Naopak maximální teplota byla určena 10. 8. v 17.30 h, a to 26,82 °C. Z výsledků je patrné, že teplotní rozdíl na povrchu stropní konstrukce je 12 K, což je o poznání lepší než u předchozího případu bez chlazení. Pokud porovnáme teploty vnitřního vzduchu u obou modelů, zjistíme, že minimální teplota zůstala prakticky stejná, avšak maximální teplota klesla z cca 36 °C na 28 °C, tedy o 8 K, což rozhodně není zanedbatelné.
32
15.3 Výsledky pro model s aktivovaným chlazením i vytápěním Spotřeba energie pro chlazení spodní části budovy vyšla 7888 kWh, tj. 3944 kWh na patro, a pro chlazení horní části budovy 13 904 kWh, tj. 3476 kWh na patro. Celkem bylo tedy na chlazení spotřebováno 21 792 kWh energie. Spotřeba energie pro vytápění spodní části budovy vyšla 7632 kWh, tj. 3816 kWh na patro, a pro vytápění horní části budovy 17 912 kWh, tj. 4478 kWh na patro. Celkem bylo na vytápění spotřebováno 25 544 kWh energie. Z toho tedy vyšel dosažený výkon přepočtený na plochu 16,5 W/m2 jak pro chlazení, tak pro vytápění celé budovy. Minimální teplota ve spodní části budovy, tedy v prvním a druhém patře, byla simulací určena 8. 5. v 9.30 h, a to 19,27 °C. Naopak maximální teplota byla určena 8. 8. v 16.30 h, a to 28,73 °C. V horní části budovy vyšla minimální teplota 8. 5. v 9.30 h, a to 19,09 °C. Maximální teplota vyšla 8. 8. v 16.30 h a to 28,52 °C. Z těchto výsledků je pozoruhodné, že maximální teploty zůstaly naprosto stejné jako u předchozího modelu, a změnily se pouze minimální teploty. Ty se zvýšily řádově o 2 K. Na obrázku č.19 je znázorněn průběh teploty venkovního vzduchu, teploty v místnosti a teploty ve stropní konstrukci a to od 1. 7. do 14. 7. Z něho je vidět jaký vliv má venkovní teplota na průběh teplot vnitřního vzduchu.
Obr. 19 Průběh teplot vnitřního vzduchu včetně venkovní teploty
33
Graf č. 19 zároveň vypovídá o povrchových teplotách stropní konstrukce v jednotlivých patrech. Minimální teplota ve spodní části budovy byla simulací určena 6. 9. v 7.30 h, a to 21,08 °C. Naopak maximální teplota byla určena 18. 8. v 17.30 h, a to 26,85 °C. Dále minimální teplota ve vrchní části budovy byla určena 6. 9. ve 4.30 h, a to 21,15 °C. Naopak maximální teplota byla určena 10. 8. v 17.30 h, a to 26,82 °C. Z výsledků je patrné, že teplotní rozdíl na povrchu stropní konstrukce je 5 K, což je vyhovující.
Pokud mezi sebou porovnáme průběhy teplot u modelů 2 a 3, zjistíme, že maximální teplota zůstala prakticky stejná, ale minimální teplota vzrostla z cca 15 °C na 21 °C, tedy o 6 K. Teplota vzduchu se tím pádem pohybuje v rozmezí od 20 do 27 °C, což znamená, že celkové nadimenzování systému je v pořádku a regulace funguje správně.
Porovnání jednotlivých modelů Z výsledků prvního modelu je patrné, že teplotní rozdíl vzduchu v průběhu simulovaného období je 22,5 K. Tak značný teplotní rozdíl, je pro tepelnou pohodu uvnitř budovy nepřípustný. Minimální teplota vzduchu byla 14,02 °C a maximální teplota byla 36,49 °C. U druhého modelu zůstala minimální teplota prakticky stejná, jako u modelu bez chlazení, avšak maximální teplota klesla z 36,49 °C na 28,73 °C. Teplota vzduchu se tedy snížila o 8 K. Celkem bylo spotřebováno 20 592 kWh energie. U třetího modelu zůstala maximální teplota prakticky stejná, ale minimální teplota vzrostla ze 14,02 °C na 19,09 °C. Teplota vzduchu se tedy zvýšila o 6 K. Celkem bylo tedy na chlazení spotřebováno 21 792 kWh energie a na vytápění bylo spotřebováno 25 544 kWh energie.
Teplota vzduchu se u třetího modelu pohybuje v převážné většině v rozmezí od 20 do 27 °C, což znamená, že vyhovuje regulačnímu rozsahu, nastaveném v simulačním programu.
34
Měření 16) Měření v bloku A2 v budově fakulty strojní ČVUT Podobně, jako už bylo zmíněno v kapitole o historii chladicích stropů, byl nainstalován systém sálavých panelů Crittal v budově fakulty strojní ČVUT již v 50. a 60. letech 20. století. Tento systém byl sice na bázi experimentu, ale do jisté míry se velmi osvědčil, a dnes se bohužel neužívá ve větší míře. V této kapitole bude pojednáno o měření chladicích stropů, již zmíněného systému Crittal, v bloku A2 FS ČVUT.
16.1 Měření v místnosti 260 Měření bylo provedeno za účelem zjištění teplot v místnosti a na povrchu stropu. Toto měření proběhlo 7. 8. 2008 ve 12.10 h a jak bylo časem zjištěno, byl to zároveň nejteplejší den v tomto roce. Je možno tedy následně porovnat naměřené hodnoty s hodnotami získanými ze simulací pro tento extrémně teplý den. Venku byla jasná obloha bez oblačnosti a žaluzie byly z poloviny uzavřeny. Po příchodu do místnosti se nejprve připravily všechny potřebné přístroje k měření, a zkalibrovala se termovizní kamera. Poté se změřila teplota okolního vzduchu rtuťovým teploměrem a teplota kulového teploměru. Použité přístroje, které byly pro měření potřeba byly kulový a rtuťový teploměr, bezdotykový teploměr, tzv. pyrometr a termovizní kamera FLIR S65 s rozlišením 320 x 240 pixelů a spektrálním rozsahem 7,5 až 13 µm . Na následujícím obrázku č. 20 je vidět schéma měření a měřicí místo, na kterém bylo provedeno měření, a ve kterém úseku byly pořízeny záběry termovizní kamerou. Závěrem tohoto měření se pyrometrem naměřila povrchová teplota stropu, a pořídili se záběry termovizní kamerou, jak je možno vidět na obrázcích č. 21 a č. 22.
35
Obr. 20 Schéma měření v místnosti 260
Výsledky a zhodnocení měření Teplota okolního vzduchu byla naměřena 23,75 °C, teplota kulového teploměru byla 23,63 °C a povrchová teplota stropu byla 21,3 °C. Odsud se zřetelně vidět, že teplota okolního vzduchu naměřená rtuťovým teploměrem a teplota kulového teploměru se k sobě velmi blíží. Teplotní rozdíl je pouhých 0,1 K. Avšak povrchová teplota stropu byla od teploty okolního vzduchu nižší o 2 K, což prakticky odpovídá výsledkům zjištěných simulací. Jde totiž o určité zpoždění mezi teplotou vnitřního vzduchu a povrchovou teplotou stropní konstrukce.
Na následujících obrázcích jsou vidět snímky z termovizní kamery a rozložení teplot ve stropě. Teploty se pohybují 21,3 °C, což je teplota vody v potrubním systému, až do teploty 25,6 °C, což je teplota venkovního vzduchu vnikající dovnitř místnosti okenním rámem. Zajímavé je, že teplota vody v potrubním systému je stejná, jako povrchová teplota stropu naměřená pyrometrem. 36
Obr. 21 Strop v místnosti 260 (1.měřicí místo) Minimální teplota na obr. č. 21 byla termovizní kamerou naměřena 21,3 °C a maximální teplota byla naměřena 23,2 °C. Průměrná povrchová teplota stropu je 22,4 °C.
Obr. 22 Strop v místnosti 260 (2.měřicí místo) Na obrázku č. 22 je patrná skvrna na potrubí a působí to dojmem, jako by tam chybělo kus potrubí. Pravdou ale je, že budova se částečně rekonstruovala a skvrna je způsobena pravděpodobně sádrou, která má vyšší emisivitu než stavební konstrukce. Minimální teplota byla naměřena 21,3 °C a maximální teplota byla naměřena 23,4 °C. Průměrná povrchová teplota stropu je 22,3 °C.
37
16.2 Měření v místnosti 534 Měření bylo provedeno za účelem zjištění teplot v místnosti a na povrchu stropu, podobně jako v předchozího měření. Toto měření proběhlo 7. 8. 2008 ve 12.45 h. Okolnosti ovlivňující měření včetně počasí byly stejné, jako u předchozího měření, jen s tím rozdílem, že žaluzie byly plně otevřené. Na následujícím obrázku č. 23 je vidět schéma měření a měřicí místo, na kterém bylo provedeno měření a kde byly pořízeny záběry termovizní kamerou.
Obr. 23 Schéma měření v místnosti 534
38
Použité přístroje byly stejné, jako u předchozího měření, tedy kulový a rtuťový teploměr, termovizní kamera FLIR S65 a navíc průtokoměr, ke zjištění poruchy systému. Měření proběhlo podobným způsobem jako v místnosti 260 a postupně se naměřila teplota okolního vzduchu rtuťovým teploměrem, teplota kulového teploměru a pyrometrem se naměřila povrchová teplota stropu. Nakonec byly pořízeny záběry termovizní kamerou, jak je možno vidět na obrázcích č. 24, 25 a 26.
Výsledky a zhodnocení měření Teplota okolního vzduchu byla naměřena 25,65 °C, teplota kulového teploměru byla 25,5 °C a povrchová teplota stropu byla 21,2 °C. Odsud se zřetelně vidět, že teplota okolního vzduchu naměřená rtuťovým teploměrem a teplota kulového teploměru je prakticky stejná. Teplotní rozdíl je pouhých 0,15 K. Avšak povrchová teplota stropu byla od teploty okolního vzduchu nižší o 2 K, což se shoduje s modelem MCHS. Na následujících obrázcích jsou vidět snímky z termovizní kamery a rozložení teplot ve stropě. Na obrázku č. 24 je vidět celkový pohled na měřenou místnost a jsou zřejmé teplotní rozdíly mezi povrchem stropu a oken.
Obr. 24 Strop v místnosti 534 (celkový pohled)
39
Na obrázku č. 25 je vidět záběr na potrubní systém umístěný ve stropu. Teploty se pohybují 21,2 °C, což je teplota voda vody v potrubním systému, až do teploty 25,6 °C, což je teplota venkovního vzduchu vnikající dovnitř místnosti okenním rámem.
Obr. 25 Strop v místnosti 534 (1. měřicí místo) Jak je vidět z obrázku č. 26, byla v místnosti v provozu pouze jižní část potrubního systému a severní část byla mimo provoz. Závada byla zjištěna při měření průtoku, kdy v severní části byl naměřen průtok cca 5 m3/h, ale v jižní části místnosti pouze 1 m3/h.
Obr. 26 Strop v místnosti 534 (2. měřicí místo) 40
Minimální teplota byla z obrázku č. 25 zjištěna 22,9 °C a maximální teplota byla zjištěna 25,0 °C. Průměrná povrchová teplota stropu je 24,0 °C. Z obrázku č. 26 byla zjištěna minimální teplota 25,0 °C a maximální teplota byla zjištěna 26,1 °C. Průměrná povrchová teplota stropu je 25,6 °C.
Naměřené hodnoty průtoku vody v potrubním systému jsou v tabulce č. 4. V severní
části místnosti jsou naměřené hodnoty pouze přibližné, protože byly již mimo rozsah měřícího přístroje. Číslo měření 1 2 3 4 5
JIH [m3/h] 5,6 5,73 5,73 5,68 5,56
SEVER [m3/h] 1,77 1,88 1,82 1,86 1,69
Tab. 4 Hodnoty průtoku v potrubním systému Nakonec se zjistilo, že závada je způsobena zavzdušněním potrubního systému a tím způsobila nefunkčnost systému v severní části místnosti. Tato místnost se nachází v nejvyšším poschodí budovy, tudíž nahromaděný vzduch nemá kam uniknout a brání cirkulaci vody. V místnosti 260 žádná taková závada nebyla zjištěna.
16.3 Porovnání měření se simulací Minimální teplota u modelu MCHS byla simulací určena 23,91 °C a maximální teplota byla určena 33,56 °C. U měření vzduchu v místnosti č. 260 byla naměřena teplota 23,75 °C, a v místnosti č. 534 byla naměřena 25,65 °C. Z hlediska povrchových teplot u modelu MCHS simulací určena minimální povrchová teplota stropní konstrukce 25,32 °C a maximální povrchová teplota byla 26,75 °C. U měření povrchové teploty stropní konstrukce v místnosti č. 260 byla naměřena teplota 21,3 °C, a v místnosti č. 534 byla naměřena teplota 21,2 °C. Při porovnání naměřených hodnot s hodnotami zjištěnými simulací vyplývá, že tyto hodnoty se od sebe prakticky mnoho neliší, ačkoli naměřené povrchové teploty byly nižší řádově o 4 K, než hodnoty zjištěné simulací.
41
17) Měření bloku A2 s Energocentrem Plus Druhá část měření proběhla ve spolupráci se společností Energocentrum Plus, s.r.o., která se zabývá provozováním a servisem energetických zařízení určených pro dodávky elektrické energie, tepla a chladu do budov fakulty strojní a elektrotechnické ČVUT. Při tom se zabývá problematikou řešení úspor energií, vyhodnocováním spotřeb energií, dálkovým monitorováním dat různých objektů, sledováním provozních technologií, a také zefektivňováním celého procesu vytápění a chlazení [L9].
17.1 Průběhy teplot Celkem byla provedena analýza průměrných venkovních teplot, teplot vnitřního vzduchu, povrchových teplot stropní konstrukce, teplot na straně vody v potrubním systému přívodu i zpátečky, teplot na výstupu z chilleru, teplot ve strojovně, kde je chiller umístěn, procento otevření trojcestného ventilu a chod oběhového čerpadla. Následující
obrázky
vycházejí
z dat
zjištěných
měřením
jednotlivých
čidel
rozmístěných po areálu ČVUT a zachycují průběhy teplot, spotřeby energií, a další důležité informace. Měření bylo provedeno v období od 1. 8. do 30. 9. 2008. Přičemž na obrázcích jsou zobrazeny jen ty nejzajímavější momenty z tohoto období, jako např. průběh teplot na výstupu z chilleru za extrémně teplého dne, nebo průběh teplot v potrubním systému na začátku otopného období. Obrázek č. 27 zachycuje průběhy venkovních teplot. Teplota na jižní straně je teplota měřená pomocí čidla, umístěného na jižní fasádě bloku A2 a teplota na severní straně je teplota měřená pomocí čidla, umístěného na severní fasádě bloku A2. Průměrná teplota je výsledná venkovní teplota určená pomocí 11-ti měřících čidel, různě rozmístěných po areálu budov fakulty strojní a fakulty elektrotechnické ČVUT. Na tomto grafu je zachyceno období, od 8. 9. do 17.9. 2008. Je zde patrné, že teplota dne 15. 9. 2008 klesla pod 13 °C, a pod touto teplotou setrvala 2 dny, a proto 17. 9. 2008 začala otopná sezóna.
42
Obr. 27 Průběh venkovních teplot na severní a jižní straně fasády bloku A2 Na obrázku č. 27, který úzce souvisí s obrázkem č. 28, je zachycen průběh teplot na straně vody v potrubní systému, teplota vzduchu v místnosti a chod oběhového
čerpadla. Toto měření proběhlo konkrétně v místnosti 534, tedy ve stejné místnosti, jako bylo námi provedené měření s termovizní kamerou. Nutno poznamenat, že tato data jsou zaznamenána z jižní časti místnosti, protože potrubním systém v severní časti místnosti byl stále zavzdušněn, a proto chladicí systém neplnil svoji funkci.
Obr. 28 Průběh teplot vnitřního vzduchu v bloku A2 a teplot na straně vody
43
Na obrázku č. 29 je znázorněn průběh povrchových teplot v severní a jižní části místnosti. Obecně se dá říci, že povrchová teplota stropní konstrukce v jižní časti místnosti je cca o 0,5 K vyšší než v severní části.
Obr. 29 Povrchová teplota stropu na jižní a severní straně bloku A2
17.2 Spotřeba energie K tomu, abychom v letním období zajistili ve vnitřním prostředí chlazení, je zapotřebí chladič, tzv. chiller, který ochlazuje vodu proudící v potrubním systému. Díky tomu jsme schopni odebírat teplenou zátěž z vnitřních prostor. Pro určení spotřeby energie bylo nejprve zapotřebí zjistit dobu chodu chilleru. Ze štítku byl odečten elektrický proud, a spolu s elektrickým napětím byl vypočten příkon elektromotoru. Po vynásobení příkonu chladicím faktorem vyšel chladicí výkon chilleru. A na závěr po vynásobení příkonu elektromotoru s dobou chodu chilleru vyšla celková spotřebovaná energie.
44
Výsledky výpočtu spotřeby energie za měsíc srpen 2008 jsou uvedeny v tabulce č. 5.
Doba chodu chilleru El. proud Příkon elektromotoru Chladicí výkon chilleru Chladicí faktor Spotřebovaná energie
Hodnota 362 29 20 092 35 161 1,75 7 273
Jednotka h A W W kWh
Obr. 5 Spotřeba energie za srpen 2008
Podobně jako u předchozího výpočtu byla určena spotřeba energie při extrémně teplém dni 7. 8. 2008. Postup výpočtu pro extrém byl naprosto stejný, jako výpočet pro měsíc srpen. Výsledky výpočtu spotřeby energie pro tento extrém jsou uvedeny v tabulce č. 6.
Doba chodu chilleru Elektrický proud Příkon elektromotoru Chladicí výkon chilleru Chladicí faktor Spotřebovaná energie
Hodnota 14 29 20 092 35 161 1,75 280
Jednotka h A W W kWh
Obr. 6 Spotřeba energie při extrému 7. 8. 2008
Hlavním problémem u tohoto konkrétního chilleru je, že prakticky nemá regulaci, teplotu na výstupu reguluje zapínáním a vypínáním kompresoru. Druhý problém je v tom, že má nízký chladicí faktor, který vyjadřuje poměr vyprodukovaného množství chladu k dodané energii. Tím pádem je nutno dodat více energie, ke snížení tepelné zátěže, než kdyby byl chladicí faktor vyšší. Z grafu č. 30 je zřejmé, jak teplota na výstupu z chilleru neustále cykluje, podle chodu chilleru. Navíc u tohoto extrému je vidět, že chladicí výkon chilleru už nebyl schopen ochladit vodu v potrubním systému, a proto teplota se zvyšovala, i když chiller běžel na plný výkon.
45
Obr. 30 Průběh teplot vody na výstupu z chilleru
Následující obrázek č. 31 znázorňuje průběh chodu chilleru v extrémně teplém dni, tj. 7. 8. 2008. Je zde znázorněna křivka určující závislost doby chodu chilleru, a jeho výkonu, na denní hodině. Z tohoto grafu je patrné, že extrém nastal před 16 h, a trval až do 20.30 h. To znamená, že chiller běžel nepřetržitě po celou tuto bodu.
Obr. 31 Průběh doby chodu chilleru a jeho výkonu během extrémního dne
46
Četnost chodu chilleru Regulace chodu chilleru probíhá pouze na principu ON/OFF, tzn. že kompresor v chilleru se stále zapíná a vypíná podle potřeby. Tento cyklus se děje v různých časových intervalech, o kterých vypovídá obrázek č. 32. I když na obrázku č. 30 je znázorněn průběh chodu chilleru nepřetržitě po dobu čtyř hodin, tato skutečnost nebyla zohledněna z důvodu přehlednosti obrázku. Z obrázku č. 32 patrné, že nejčastější doba chodu chilleru je 6 min, což na jeho životnost má velmi nepříznivý vliv. Proto by bylo na místě, zvolit jiný typ regulace, aby se chod chilleru zefektivnil, a zároveň, aby se prodloužila doba jeho životnosti.
Obr. 32 Četnost chodu chilleru
47
17.3 Porovnání naměřených dat se simulací Při porovnání hodnot naměřených ve spolupráci s Energocentrem Plus, s hodnotami zjištěnými pomocí simulací v modelu A2 (viz 15.3) vyplývá, že teploty naměřené pomocí jedenácti čidel v areálu ČVUT jsou srovnatelné s hodnotami, které byly určeny pomocí simulací. Z obrázků č. 33 a č. 34 je jasně vidět, jak se v období od 8.9. do 17.9. 2008 pohybovala teplota vnitřního a venkovního vzduchu.
Zajímavé ale je, že teploty naměřené, mají daleko rovnoměrnější průběh, než teploty zjištěné simulací. Navíc u teplot zjištěných simulací teplota vnitřního vzduchu nikdy nepřesáhla teplotu venkovního vzduchu, avšak u naměřených hodnot tomu tak není.
Nutno ale poznamenat, že ovlivňujících faktorů je celá řada, a i přesto se k sobě výsledky navzájem blíží. U hodnot zjištěných pomocí simulací se teploty pohybují v rozmezí od 19,09 do 28,73 °C, a u naměřených hodnot jsou teploty v rozmezí od 20,86 do 26,32 °C. U naměřených hodnot teplota méně kolísá.
48
Závěr V této diplomové práci jsem se zabýval komplexní problematikou chladicích stropů. Jedná se o velmi perspektivní obor v oblasti chlazení a vytápění vnitřních prostorů. Kromě toho byly provedeny modely v programu ESP-r, které simulují energetické modely chladicích stropů, ať už místností nebo budov (viz kap. 13, 14, 15). Hodnoty zjištěné pomocí simulací byly porovnávány s hodnotami naměřenými (viz kap. 16, 17) a následně byl proveden rozbor, proč se mezi sebou tyto hodnoty lehce liší (viz 17.3).
Chladicí stropy představují v dnešní době vhodnou alternativu proti tradičním zařízením s úplnou klimatizací. Montáží chladicího nebo topného potrubního systému chladicího stropu na části budovy, které by jinak nebyly využity, si ušetříme nadměrné dimenzování celkového zásobování budovy teplem nebo chladným vzduchem, a zároveň se sníží i investiční příp. provozní náklady. Navíc je možné kombinovat chladicí stropy s konvenčními instalacemi v budovách.
I když tato technologie bude vyžadovat další výzkum a vývoj, tak tato nová koncepce zajišťuje pro budoucnost novou alternativu dodávání energie do vnitřních prostorů.
49
Použitá literatura [L1]
ZMRHAL, Vladimír; Sálavé a chladicí systémy I, cit. 12. 9. 2008, dostupné na WWW:
[L2]
HEMZAL, Karel; Přenosové jevy v technice prostředí. Praha: ČVUT 2007. 100 s, ISBN 978-80-01-02924-4
[L3]
CHYSKÝ, Jaroslav; HEMZAL Karel et al., Technický průvodce - Větrání a klimatizace, Praha: ČVUT 2003.
[L4]
ČSN 73 0548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů
[L5]
ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov (2002)
[L6]
FLIR, termovizní kamery, cit. 18. 9. 2008, dostupné na WWW:
[L7]
Termovize, cit. 18. 9. 2008, dostupné na WWW:
[L8]
Pyrometr, cit. 18. 9. 2008, dostupné na WWW:
[L9]
Energocentrum Plus, cit. 20. 11. 2008, dostupné na WWW:
[L10] Počet obyvatel planety Země, cit. 5. 9. 2008, dostupné na WWW:
[L11] HOFFMAN Pavel, Orientační bilance spotřeby energie a možnosti jejího pokrytí alternativními zdroji, Praha: ČVUT 2007. [L12] OLESEN Bjarne, Radiant floor cooling systems, Ashrae 2008
50
