Modelování environmentálních veličin pasivních domů pro podporu návrhu řídicích systémů

Modelování environmentálních veličin pasivních domů pro podporu návrhu řídicích systémů

1/17


Závěrečná zpráva

Praha, 2009

Bc. Petr Novák


2/17

Poděkování

Děkuji zejména doc. Ing. Petru Horáčkovi, CSc. (ČVUT-FEL) za odborné vedení. Vážím si jeho cenných rad i času, který mi věnoval.


1

3/17

Úvod

1.1

Energetická náročnost budov

Energetická spotřeba budov a její snižování patří mezi prioritní oblasti dosažitelných energetických úspor. Podle [Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/91/ES] „…bytový a terciární sektor, jehož hlavní část tvoří budovy, representuje více než 40 % konečné spotřeby energie ve Společenství a dále roste, což je spojeno se zvýšením jeho energetické spotřeby, a tudíž také se zvýšením jeho emisí oxidu uhličitého…“ Ve zprávě [Nezávislá energetická komise, Zpráva 2008-11-22] je uvedeno doporučení pro realizaci energetických úspor České republice: „…Klíčovým sektorem, na který je třeba zaměřit úsilí nejdříve, jsou obytné budovy a budovy terciárního sektoru, dalšími důležitými oblastmi jsou průmysl a doprava. Prostředky z Evropských strukturálních fondů je třeba nasměrovat do snižování energetické náročnosti českých veřejných a firemních budov. Tato opatření je třeba vázat na dosažení minimálně nízkoenergetického standardu (třída B podle vyhlášky č. 148/2007 Sb.)…“ Základním způsobem dosažení energetických úspor v budovách je minimalizace prostupu tepla obálkou domu a eliminace její vzduchové průvzdušnosti. Uvážením těchto principů při konstrukci vnější obálky domu lze významně snížit spotřebu energie na vytápění či chlazení budovy, avšak bez využití větracího systému či pravidelného provětrávání okny by došlo k významnému zhoršení kvality vnitřního vzduchu a negativnímu vlivu na obyvatele domu. Pro dosažení efektivního provozu budov je proto nutné zajistit ideální kompromis mezi nízkou energetickou náročností a dobrou kvalitou vnitřního prostředí. 1.2

Pasivní domy

Pojem pasivní dům lze definovat mnoha způsoby. V kontextu této práce je pasivní dům uvažován v souladu s [ČSN 73 0540] a [CPD – Co je pasivní dům] jako budova s roční měrnou potřebou tepla na vytápění nepřesahující 15 kWh·(m2·a)-1. Této hodnoty je dosaženo vynikajícími parametry tepelné izolace s minimalizovanými tepelnými mosty a velmi těsnou konstrukcí vnější obálky domu, omezující neřízenou vzdušnou výměnu. Dům je vybaven HVAC systémem s rekuperační jednotkou. Tento systém zajišťuje dostatečné větrání objektu a topení nebo chlazení prostřednictvím nasávaného a odtahovaného vzduchu. Dalším požadavkem kladeným na pasivní domy je spotřeba celkového ročního množství primární energie spojené s provozem budovy nepřesahující 120 kWh·(m2·a)-1. Dále se bude tato práce zaměřovat na pasivní rodinné domy, popisované principy jsou však aplikovatelné též u nízkoenergetických domů a pasivních bytových domů. 1.3

Kvalita vnitřního vzduchu a environmentální veličiny

Kvalitu vnitřního vzduchu je možné hodnotit podle mnoha různých hledisek. Pro účely regulace HVAC systémů domů lze kvalitu vnitřního vzduchu hodnotit a měřit zavedením čtyř základních environmentálních veličin1 – teploty, koncentrace CO2, relativní vlhkosti a tlaku vzduchu. 1.3.1 Teplota Teplota je environmentální veličinou, jejíž hodnota má na subjektivní vnímání obyvatel hlavní vliv. Od řídicích systémů budov se očekává její zajištění v okolí žádané hodnoty. Teplota v minulosti a mnohdy i v současnosti představuje jedinou řízenou environmentální veličinu.

1

Používá se též termín environmentální parametry.


4/17

1.3.2 Koncentrace oxidu uhličitého Oxid uhličitý je bezbarvý plyn, který v budovách vzniká zejména dýcháním a spalováním plynu. Nadměrně vysoká koncentrace CO2 způsobuje pocity únavy a oslabení. Za zjednodušujících podmínek lze koncentraci oxidu uhličitého chápat jako indikační veličinu kvality vzduchu, reflektující přítomnost člověka, a jako vstupní signál pro požadavky řízenou ventilaci [Schell et al.]. 1.3.3 Relativní vlhkost Vzdušná vlhkost hraje pro dobrý provoz pasivních domů klíčovou roli. Nadměrně vysoká hodnota relativní vlhkosti vede ke zhoršení tepelných vlastností materiálů a ke vzniku plísní. Naopak příliš nízká hodnota této veličiny vede k nepříjemným pocitům při vdechování, popřípadě k alergickým reakcím, které jsou způsobeny především nárůstem obsahu prachu ve vzduchu při velmi nízkých hodnotách relativní vlhkosti. 1.3.4 Tlak vzduchu Tlak vzduchu je environmentálním parametrem nemajícím přímý vliv na kvalitu prostředí, je ale základní veličinou pro vyčíslení velikosti a směru toků vzduchu mezi jednotlivými místnostmi, klapkami nebo obálkou domu. Působení větru je rovněž přepočítáváno na dynamický tlak způsobený větrem a jeho vliv je vyčíslen na základě tlakové diference. Modelování a řízení HVAC systémů pasivních domů

1.4

Úkolem HVAC systému je zejména zajištění vhodného kompromisu mezi protichůdnými požadavky nízké energetické náročnosti a dobré kvality vnitřního vzduchu. Nastavení a ověření chování řídicího systému je sice možné provést výhradně s využitím měřených dat přímo na reálné budově, avšak tento způsob je velmi nevýhodný jak z hlediska časového a ekonomického, tak z hlediska opakovatelnosti pokusů2 a problematičnosti měření v mezních situacích3. Proto je výhodné disponovat dynamickým modelem energetické náročnosti a kvality vnitřního vzduchu v budovách a před pokusy na reálné budově provést sady experimentů s využitím těchto simulačních modelů. 1.5

Cíle projektu

Cílem projektu je vytvořit dynamický model environmentálních veličin a energetické spotřeby pasivních domů respektující specifické požadavky pro návrh a ověření kvality regulace řídicích algoritmů HVAC systémů domu. Dynamický model bude sestávat z univerzální knihovny s parametrizovanými bloky pro namodelování obecného pasivního domu a modelu zvoleného pasivního rodinného domu, dále nazývaného typový dům. Od práce se rovněž očekává navržení základní verze regulátoru a doporučení umístění měřicích prvků v plánovaném pasivním rodinném typovém domě, vyplývajícího z poznatků získaných při odměru dat na reálné budově s využitím zapůjčené měřicí sady.

2

Zejména počasí vstupuje do procesu měření a testování jako náhodná veličina. Přestože se jedná o měřitelnou poruchovou veličinu, její vliv je vzhledem k charakteru soustavy velmi obtížně eliminovatelný. 3

V průběhu měření nemusí dojít k extrémním podmínkám, např. k extrémním klimatickým jevům.


2 2.1

5/17

Existující dynamické modely environmentálních veličin Kategorizace dynamických modelů environmentálních veličin

Dynamické modely environmentálních veličin lze kategorizovat podle mnoha kritérií. Jedním ze základních hledisek je granularita modelu, tj. velikost atomických částí modelu vzhledem k velikosti simulovaného celku. 2.1.1 Makroskopické modely Makroskopické modely jsou založeny na myšlence rozdělení budovy na tzv. zóny. Zóna je definována jako část prostředí, uvnitř které je vzduch dokonale promísen. Makroskopické (zónové) modely je možné blíže kategorizovat podle počtu zón, ze kterých se budova skládá. 2.1.1.1 Mono-zone modely Mono-zone modely přistupují k budově jako k jednomu nedělitelnému bloku. Velikost zóny odpovídá celé budově. Předpoklad promísení vzduchu uvnitř celé budovy bývá prakticky nesplněn, proto tyto modely podávají pouze velmi hrubý odhad chování objektu a v praktickém použití nedochází k jejich širšímu nasazení. 2.1.1.2 Multi-zone modely Multi-zone modely (v některé literatuře nazývané též multi-room) byly odvozeny z mono-zone modelů zvýšením počtu zón. Zóna v tomto případě odpovídá jedné místnosti. Modely předpokládají, že budova se skládá z několika zón (místností) s diskrétně definovanými interakčními body. Tento typ modelů je v současnosti považován za ideální kompromis mezi výpočetní náročností a přesností dosahovaných výsledků.

Obr. 2.1: Ukázka výsledků multi-zone modelu, koncentrace vyjádřená teplotou barvy. Zdroj: [Jayaraman et al., 2004]

2.1.1.3 Zonal modely Zonal modely vznikly jako modifikace multi-zone modelů zvýšením počtu zón. Místnost je v tomto případě tvořena více než jednou zónou. Zvýšená přesnost modelu oproti multi-zone je vykoupena vyšší výpočetní náročností a zvýšeným počtem zadávaných parametrů. Pokud jsou zadány nepřesně, mohou zonal modely dosahovat větších chyb, než multi-zone modely.


6/17

2.1.2 Mikroskopické modely Mikroskopické modely vycházejí z představy, že při pouhém navyšování počtu zón, na které je budova rozdělena, nelze dosáhnout dostatečně přesných výsledků. Tyto modely využívají metodu computational fluid dynamics (CFD), založenou na numerickém řešení NavierStokesovy rovnice. Díky vysoké výpočetní složitosti cyklického řešení parciálních diferenciálních rovnic se zatím nepodařila uspokojivá aplikace těchto modelů na celou budovu. Jsou využívány zejména pro analýzu jednotlivých konstrukčních prvků budov, typicky prvků systému vzduchotechniky. 2.1.3 Kombinace mikroskopických a makroskopických modelů Vzhledem k vysoké výpočetní náročnosti CFD modelů a nepřesnostem multi-zone modelů při simulaci rozsáhlejších místností byl vytvořen koncept kombinace mikroskopických a makroskopických modelů, označovaný též kombinace multi-zone a CFD modelu. Kombinovaný model umožňuje modelovat hmotnostní a tepelné toky mezi jednotlivými místnostmi jako multi-zone simulace a uvnitř rozsáhlých místností se využívá vysoké přesnosti CFD modelu. Ukázky výsledků modelu lze zhlédnout např. v [Jayaraman et al., 2004]. K širšímu nasazení těchto modelů zatím nedošlo.

Obr. 2.2: Ukázka výsledků kombinace mikroskopického a makroskopického modelu, koncentrace vyjádřená teplotou barvy. Zdroj: [Jayaraman et al., 2004]

2.2

Zhodnocení vhodnosti použití existujících modelů pro návrh řídicích systémů

Návrh a testování řídicích algoritmů HVAC systémů klade na používané modely specifické požadavky, bez jejichž splnění modely nejsou pro tento účel vhodné. Především musí model podporovat zahrnutí řídicího algoritmu (nejen lineárního řízení, ale též nelineárních operací). Je vyžadována podpora vyčítání plné stavové informace modelu, což je zvláště významné v případě navrhování regulátoru moderními metodami řízení. Vyžadují se též nástroje pro porovnání kvality regulace jednotlivých řídicích algoritmů. Simulační nástroj musí dále podporovat snadné vkládání nových komponent, reflektujících stavebně-technické trendy a perspektivní technologie. V neposlední řadě se od simulačního nástroje požaduje, aby byl šířen s licenčními podmínkami umožňujícími vícečlenný vývoj a testování řídicích algoritmů a nasazení těchto algoritmů i v komerční sféře podle licenčních podmínek stanovených autorem algoritmu. Předpokládá se rovněž subjektivní uživatelská přívětivost produktu. Dostupné modely uvedené podmínky nesplnily, bylo proto rozhodnuto o vývoji nového.


3

7/17

Univerzální knihovna „bldsimlib“

Univerzální knihovna „bldsimlib“ je základním kamenem navrženého dynamického modelu environmentálních veličin i hlavním výstupem podpořeného projektu. Knihovna obsahuje parametrizovatelné bloky, umožňující namodelování obecného pasivního domu. Byla implementována v prostředí Matlab-Simulink, které představuje univerzální nástroj pro simulace a ověřování kvality regulace v oblasti řídicí techniky. 3.1

Struktura modelu

Pro navržený model byla zvolena topologie multi-zone. Tento typ modelu byl shledán jako vhodný kompromis mezi přesností výsledků a výpočetní složitostí. Model typu multi-zone předpokládá, že každá místnost budovy odpovídá právě jedné výpočetní zóně. Uvažuje se, že mezi místnostmi dochází k látkovému a tepelnému přenosu v konečném počtu interakčních oblastí, které mohou být matematicky reprezentovány jako jednotlivé interakční body. Model dále přijímá zjednodušení, že vzduch uvnitř jednotlivých místností je dokonale promísen, a má tak ve všech bodech homogenní izotropní vlastnosti. 3.2

Základní popis knihovních bloků

3.2.1 Místnosti Místnosti tvoří základní bloky vytvořeného modelu. Představují hlavní nositele dynamiky environmentálních veličin. Protože je model „bldsimlib“ absolutní, místnosti jsou akumulátory tepelných a látkových toků. Stavovou veličinou místností je vektor obsahující informace o látkovém množství vzduchu v místnosti, látkovém množství CO2, látkovém množství obsažené vzdušné vlhkosti, tlaku vzduchu a jeho teploty. S využitím veličin tohoto stavového vektoru jsou počítány koncentrace CO2 a relativní vlhkost vzduchu. Úplný matematicko-fyzikální rozbor přesahuje rozsah tohoto dokumentu, dále budou ilustrativně uvedeny pouze základní vztahy. Tlak v místnosti je popsán stavovou rovnicí ideálního plynu: pV = nRT [Pa, m3; mol, J·mol-1·K-1, K] kde

p V n R T

… … … … …

tlak objem látkové množství molární plynová konstanta absolutní teplota

Tepelné a látkové chování místností jsou popsány vztahy: t 1 T = ∫ Qt (τ )dτ C t0 kde T Qt τ C

… … … …

Termodynamická teplota Tepelný tok Čas Tepelná kapacita

( 3.1 )

[Pa] [m3] [mol] [J·mol-1·K-1] [K]

[K; J·K-1, W, s]

( 3.2 )

[mol; mol·s-1, s]

( 3.3 )

[K] [W] [s] [J·K-1]

t

n = ∫ Qn (τ )dτ t0

kde n Qn τ

… Látkové množství … Látkový tok … Čas

[mol] [mol·s-1] [s]


8/17

3.2.2 Exteriér a podloží budovy Exteriér a podloží budovy se z hlediska svého matematicko-fyzikálního chovají obdobným způsobem jako místnosti. Přesto existuje mezi těmito entitami významný rozdíl. Nespočívá pouze ve faktu, že konstanty parametrizující tyto entity mají řádově rozdílné hodnoty, ale zejména v tom, že pro model domu exteriér a podloží budovy definují okrajové podmínky. Hodnotami environmentálních veličin popisujících exteriér a podloží budovy lze modelovat jak extrémní klimatické situace a jejich dopad na energeticko-environmentální chování budovy, tak použít data definující referenční klimatický rok a na jejich základě simulovat typické chování domu a porovnávat podle finančních a kvalitativních hledisek různé varianty provedení stavebních i regulačních řešení. 3.2.3 Entity uvnitř místností V této podkapitole je uveden stručný seznam modelovaných entit a jejich vliv na environmentální veličiny. Matematický popis převyšuje rozsah této zprávy. Entita

Tok tepla

Látkový tok CO2

Látkový tok H2 O

Látkový tok vzduchu

Osoba

Zdroj

Zdroj

Zdroj

–

Svítidla a ostatní elektrospotřebiče

Zdroj

–

–

–

Sporák (el. / plynový)

Zdroj

– / Zdroj

Zdroj

–

Rostlina

–

Zdroj / spotřebič

Zdroj

–

Koupelna (vana, sprcha)

Zdroj/spotřebič

–

Zdroj

–

Tab. 3.1: Entity uvnitř místností

3.2.4 Interakce mezi místnostmi Místnosti spolu interagují prostřednictvím látkových a tepelných toků. Tyto toky jsou vyjádřeny vztahy:

Qn ( A → B ) = kde

Qn pA QV R TA

… … … … …

p A QV RT A

molární tok z místnosti A do B tlak v místnosti A objemový tok molární plynová konstanta termodynamická teplota

Qt ( A → B ) = nc m (TB − T A ) kde

Qt n cm TA TB

… … … … …

[mol·s-1; Pa, m3·s-1, J·mol-1·K-1, K]

( 3.4 )

[mol·s-1] [Pa] [m3·s-1] [J·mol-1·K-1] [K]

[W; mol, J·mol-1·K-1, K, K]

tepelný tok z místnosti A do B [W] látkové množství [mol] molární tepelná kapacita [J·mol-1·K-1] termodynamická teplota místnosti A [K] termodynamická teplota místnosti B [K]

( 3.5 )


9/17

Objekt

Popis

Interakce

Základní blok modelující výše uvedené vztahy

Stěna

Blok modelující přenos tepla vedením a jeho akumulaci (stěnu představuje trojice kapacitorů)

Okna

Blok modelující přenos tepla kondukcí (sklo, rám), konvekcí (spárová průvzdušnost) a sluneční radiací (sklo)

Průvzdušnost

Blok modelující přenos tepla konvekcí

Vnitřní dveře

Blok modelující přenos tepla kondukcí a konvekcí, umožňující otevírání a zavírání (tj. změnu průvzdušné plochy)

Klapky

Blok modelující vyústku vzduchovodu umožňující regulaci průtoku vzduchu

Rekuperační jednotka s ventilátory

Blok modelující rekuperátor tepla, odtahový ventilátor a ventilátor nasávaného vzduchu

Tab. 3.2: Typy interakcí mezi místnostmi a jejich popis

3.3

Náhled na knihovnu „bldsimlib“ v prostředí Matlab-Simulink

Universal library for environmental quantities modeling of residential buildings Rooms and exterior (zones )

Objects in rooms

Interactions between zones and ventilation

1

N_man N_woman N_child

1

1

2

2

Interaction

out Human

2 Interaction 1

t (deg C ) Human 1

Room

CO2 (ppm )

Extender

1

Neutral I /O 2

Scope

1

{0;1} OCWindow 1

RH (%)

out

NeutralI 1

Exhaust 1

2 O/C Window

1 2

2

Analysis

1 Exhaust fan

out

K_activity

<0;1> Heat source 1

I/O termination

1 Ventilator

<0;1> Ventilator 1

Neutral I /O

In1

2 NeutralO 1

Analyzer 1

p (kPa)

Heat 1

Extender 1

Room 1

1

1 Window

2 2

2

out Heat source 2 heat (W)

Window 1

out

1

1 Damper

Term

<0;1> Damper 1

2 0 OC1

t (deg C )

Heat 2

CO2 (ppm ) Exterior

Universal source

1 2 Interior door

p (kPa)

{0;1}

Exhaust

2

Exhaust Outlet

Door 1

sun Source 1

1

RH (%)

HVAC unit

wind Exterior 1

1 Wall

Gas cooker

t (deg C ) Wall 1

1

1

out Cooker 1

1 2

2

Source Source Inlet hvac

t (deg C ) Ground CO2 (ppm )

Plant Plant 1

RH (%)

Leakage (ext) 2 2 (ext)

p (kPa)

Leakage 1

Ground 1 Bath /shower

1 1 Leakage (simple ) 2 2

Bathroom 1

Leakage 2

1 Ext p_1

Blower door tester

1

p_2 p_3 Blower _door _tester1

Obr. 3.1: Náhled na základní zobrazení knihovny s parametrizovatelnými univerzálními bloky v prostředí MATLAB-Simulink


4

10/17

Model typového pasivního domu

Bloky z univerzální knihovny byly použity pro namodelování typového domu. Jedná se o pasivní rodinný dvoupodlažní dům. Model byl vytvořen podle dostupných stavebních výkresů, ze kterých byly čerpány zejména rozmístění místností, rozměry stěn, podlah, stropů a výplní otvorů. Okrajové podmínky modelu jsou definovány daty referenčního klimatického roku, obsahující tyto fyzikální veličiny: venkovní teplotu, teplotu podloží domu, koncentraci CO2 ve vnějším vzduchu, relativní vlhkost vnějšího vzduchu, atmosférický tlak, rychlost a směr větru, solární zisky. Nedílnou součástí modelu typového domu je aproximace chování jeho obyvatel. Předpokládá se, že v domě bydlí čtyřčlenná rodina (dospělý muž, dospělá žena a dvě děti). V 6:00 obyvatelé vstávají (aktivita střední), v 7:00 ve všední dny odchází obyvatelé z domu, v 15:00 se ve všední dny navracejí obyvatelé domů (aktivita střední), od 18:00 do 19:00 je zvýšená aktivita obyvatel a v době od 22:00 do 6:00 následujícího dne obyvatelé spí – snížená aktivita. 104 102

203

202

103 201

101 106

105

205

204

Obr. 4.1: Typový dům (popis místností)

4.1

Náhled na model v prostředí MATLAB-Simulink Environmental quantities model of the passive type house no.3

Year Month Day Hour Minute Day ( 1-7, Sun -Mon ) Holiday ( 1-Yes, 0-No) Simulation clock

2np

1np

Logging

Exterior

Hvac

Obr. 4.2: Model typového domu (náhled na nejvyšší vrstvu simulačního schématu)


11/17

Model of second floor, type house no. 3 From _m 201

From _m 202

m201 _0

Term 5

rf201 _t

Term 6

Term 1

Term 9

1 1

Term 11

Term 10 w203 ext_t

rf203 _t

OC1 0

{0;1}

2

1

Goto _m202 t (deg C )

Goto _m203 t (deg C )

d202203Interior door


m203 _ 0

{0 ;1}

out

m202 _ 0

out

m203 _t

m202 _t Room

2

1

CO2 (ppm )

Room

2

Goto _ m201

CO2 (ppm )

Neutral I /O m203 _co2

m202 _co2

NeutralI 1

RH (%)

RH (%) From 1

m203 _rh

m202 _rh

m201 _0

p (kPa)

p (kPa)

From 35 m202 _0

m202 _p

m202

m203 _p

m203

2

1

2 (ext)

l203 Leakage (ext) 2

1

2 2

1

2

1

W all

t (deg C )

2

1

<0;1>

1 2 1

2

w203 ext

t (deg C )

Wall

vent 203

m203 _0

0 2

rf203

Goto _vent 203

m 103 _1

From 5

From 3

1

d203 Damper

Goto _ 1np _203

m202 _0

Term 3

w 202 ext_ t

m202 _0

1

2

1 1

1

Term 2

rf202 _t

OC201202

m201 _0

ext

fl 203 _t

From 4

vent 202

m201 _0

out

Wall

t (de g C )

fl 203

Goto _vent _202

2

1

2 (ext)

l202 Leakage (ext) 2

1

2

Wall

2

1

1

2

w 202 ext

1

W all

t (de g C )

2

1

rf202

t (de g C )

2

1

d202 Damper

m102 _ 1

From 2

Term 7

w201 ex t_t

From _ ext_203

vent _ out

v203

fl 202 _t Goto _1np _ 202

m102 _2

vent 201

From _vent _ out _203

m103 _0

From _v 203

<0;1 >

2

1

Goto _1np _202 _2

t (de g C )

Wall

2

2

{0;1}

1 1

1

2

1

2 (ext)

l201 Leakage

fl 202

Goto _ vent _201

From _1 np _203

ext

v 202


(ext) 2

1

2

Wall

t (de g C )

2

1

1

w201 ex t

1

W all

2

2

1

rf201

t (de g C )

1 2

<0;1 >

d201 Damper

m101 _1

m 203 _0

From _ext _202

vent _out From _v202

0

fl 201 _ t Goto _1np _201

From _vent _out _ 202

m102 _0

OC4

2

1

2 t (de g C )

2

1

Wall

From _1np _ 202

m102 _0

ex t

v201

fl 201

From _m203

m202 _0 From _m 102

From _ex t201

vent _in From _v201

2

From _ vent _201

m101 _ 0

1

From _1np _ 201

Add w201202

Wall

2

1

m201 _ t

t (deg C )

t (deg C )

w201202 _t

hm 3_man

N_ man

hm 3_woman

N_ woman

hm 3_c hild

Add 1 d 202205

CO2 (ppm )

Interior door 2

NeutralI 3

2

m205 _0 0

{0;1}

m 202 _0

1

From 8

2

1

m205 _ 0

2

From 37

Wall

t (deg C )

From 9

Human

Interior door 2

human 3

1

m 204 _0

W all From 40

w203204 _t

1

2

Wall

m 205 _0 Goto _m205 1

t (deg C )

out w201205 _t

m204 _ 0

out

w204205 _t

Goto _m204

t (deg C )

t (deg C ) m205 _t

Room

m204 _t

Room

CO2 (ppm )

CO2 (ppm )

m205 _ co2

p (kPa)

m204 _co2

RH (%)

RH (%)

m201 _ p

m205 _rh

m204 _rh

p (k Pa)

p (kPa) m205 _p

m201

m204 _p m204

m205

From _m201 _2

From _m204

From _m205

m201 _0

m 204 _0

m 205 _0 From _vent _in _ 205

From _ext_205

vent _in

m105 _0

vent 205

Term 18

Term 19 w205 ext_ t

rf205 _t

1

2 (ext)

1

2

l204 Leakage

1

W all

t (deg C )

2

1

w204 ext

2

2

Wall

1

rf204

t (deg C )

2

1

1

w204 Window

2

1

Goto _1np _ 204 Term 21

<0;1>

d204 Damper fl 204 _t

Goto _ vent 204

Goto _vent 205

m106 _1

t (deg C )

2

1 1

1

Wall

2

1

2 (ex t)

fl 204

l205 Leak age (ext) 2

1

2

Wall

t (de g C )

2

1

w205 ext

2

Wall

1

rf205

2

1

w205 Window

t (de g C )

1

2

2

1

d205 Damper fl 205 _ t Goto _1np _205

1

Wall

2

fl 205

out

human 2

1

Human

K_activity

2

N_child

Term 23

1

v 204

<0;1 >

2

1

N_woman

t (de g C )

1

2

1

2

N_man

2

hm 2 _child hm 2 _activity

1

1

2

1

2

hm 2_man hm 2_ woman

w201 s Window

ext

From _v204

v205

Term 26

From _ ext_204

vent _in

ext

From _v205

2

m106 _ 0

From _vent _in _204

1

From _1np _ m205

ext

From _1np _204

2

From _ext_ 201

w201 w Window

From 41

m 203 _0

2

t (deg C )

m204 _0

2

1

2

m205 _0

2 2

1

1

From 6

From 7

From 43

w204205 t (deg C )

Wall

m 202 _0 m 204 _0 0

From 42

w202205 _t

m205 _0 From 45

w201205

2 {0;1 }

OC 2

m201 _0 From 44

m201 _ rh

w203204 1

1

K_ activity

m202 _ 0 From 36

OC3

RH (%)

d202204

out

N_ child

hm 3_ac tivity

w 202205 1

1

m 201 _c o2

(ext) 2

Room Neutral I /O

Term 20

vent 204

m105 _ 1

Term 16

Term 13

rf204 _t

Term 14

Term 15

w204 ext_t

Obr. 4.3: Model typového domu (2 . nadzemní podlaží)

4.2

Průběhy environmentálních veličin typového domu Interior doors flows [m3/s]

Room CO2 [ppm]

0.025

1100 101 102 103 104 105 106 201 202 203 204 205

900

CO2 [ppm]

800

700

d101102 d102106 d102103 d102105 d103104 d201202 d202205 d102202 d202203 d202204

0.02

0.015 Volumetric flow [m3/s]

1000

600

0.01

0.005

0 500

-0.005 400 50

51

52

53

54 55 56 Time [day of year]

57

58

59

-0.01 50

60

Obr. 4.4: Desetidenní průběh koncentrace oxidu uhličitého v typovém domě bez řízení

51

52

53

58

59

60

Room pressure [kPa]

Room relative humidity [%]

101.325 101 102 103 104 105 106 201 202 203 204 205 ventin

80 70 60 50 40 30

101.315 101.31 101.305 101.3 101.295 101.29

ventout

20

101 102 103 104 105 106 201 202 203 204 205 ventin

101.32

Pressure [kPa]

90

Relative humidity [%]

57

Obr. 4.5: Desetidenní průběh vzdušných toků v typovém domě bez řízení

100

exterior

ventout

101.285

10 0 50


exterior

101.28 51

52

53


57

58

59

60

Obr. 4.6: Desetidenní průběh relativní vlhkosti v typovém domě bez řízení

101.275 50

51

52

53


57

58

59

60

Obr. 4.7: Desetidenní průběh tlaků vzduchu v typovém domě bez řízení


12/17

Room temperature [deg.C] 50

40 Exterior 101 102 103 104 105 106 201 202 203 204 205

Temperature [deg C]

30

20

10

0

-10

-20

0

50

100


300

350

400

Obr. 4.8: Roční průběh teplot v typovém domě bez řízení. Vysoké dosažené teploty jsou způsobeny zejména odcloněnými žaluziemi.

Room temperature [deg.C] 35 30 25

Exterior 101 102 103 104 105 106 201 202 203 204 205

Temperature [deg C]

20 15 10 5 0 -5 -10 -15

0

50

100


300

350

Obr. 4.9: Roční průběh teplot se základním zpětnovazebním řídicím systémem

400


5

13/17

Závěr

Dynamické modely environmentálních veličin pasivních domů jsou jedním z prostředků, kterým lze analyzovat chování domu i jeho HVAC systému a optimalizovat jejich provoz jak z hlediska energetického a finančního, tak z hlediska kvality vnitřního prostředí. V práci byly kategorizovány existující modely podle svého přístupu k modelování reality a představen průřez konkrétním existujícím softwarem. Protože existující modely nesplnily definované požadavky pro potřeby analýzy a syntézy regulačních algoritmů HVAC systémů pasivních domů a jejich ověřovaní na simulovaných datech, bylo přistoupeno k vývoji nového modelu environmentálních veličin, implementovaného v prostředí Matlab-Simulink. Byl proveden matematicko-fyzikální rozbor faktorů ovlivňujících environmentální veličiny domů. Environmentálními veličinami se z hlediska modelování a regulace HVAC systémů rozumí teplota, koncentrace oxidu uhličitého, relativní vlhkost a tlak (resp. proudění vzduchu). Základem vytvořeného dynamického modelu environmentálních veličin je knihovna „bldsimlib“, implementovaná v aplikaci MATLAB-Simulink. Její modulární struktura umožňuje modelování obecných pasivních domů i snadné přidávání nových bloků reflektujících případná nekonvenční stavebně-technická řešení. S využitím obecné knihovny byl namodelován typový pasivní rodinný dům. Pro typový dům byl navržen jednoduchý řídicí systém a zkoumáno chování samotného modelu i budovy jako celku. Během projektu bylo dále provedeno měření dat na reálné budově a jejich porovnání se simulací. Měření bylo provedeno v běžném rodinném domě. Výsledky měření potvrdily, že zvolená koncepce modelu je pro dynamické modelování environmentálních veličin vyhovující a na základě zkušeností z průběhu měření byla zformulována doporučení pro rozmístění senzorů v plánovaném typovém domě. V závěru projektu byly vytyčeny cíle a požadavky další práce. Kromě již zmiňovaného měření veličin typového pasivního domu a jejich srovnání se simulací je plánováno zpřesnit model pohybu osob uvnitř typového domu a domodelovat předpokládaný provoz elektrospotřebičů uvnitř typového domu. Výsledky projektu byly prezentovány na mezinárodní konferenci „Pasívne domy 2009“ v Bratislavě.


6

14/17

Literatura

[1]

AboutBSIM [online]. [cit. 2009-08-05]. Dostupný z WWW: .

[2]

BECHNÍK, B. Vztah vlhkostní a energetické bilance stavby [online]. 2004. [cit. 2008-0501]. Dostupný z WWW: .

[3]

BROŽ, K.; ŠOUREK B. Alternativní zdroje energie. Praha : ČVUT - FS, 2003.

[4]

Building Energy Software Tools Directory [online]. c2009. [cit. 2009-08-05]. Dostupný z WWW: .

[5]

CIHELKA, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha : SNTL, 1985.

[6]

CIHELKA, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha : SNTL, 1975.

[7]

CIHELKA, J. Solární tepelná technika. Praha : Nakladatelství V. Malina, 1994.

[8]

CPD – Co je pasivní dům [online]. [cit. 2009-10-17]. Dostupný z WWW: .

[9]

Czech Hydrometeorological Institute’s Home Page [online]. Dostupný z WWW: .

[ 10 ] CZECH PAN – DŘEVOSTAVBY – Proč K-KONTROL [online]. Cit 2009-10-25. Dostupný z WWW: . [ 11 ] ČSN 73 0540. Tepelná ochrana budov. 2002. [ 12 ] ČSN 73 0548. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. 1985. [ 13 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H. Rezidenční mikroprostředí : disertační práce. Praha : ČVUT Fakulta stavební, 2007. [ 14 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H. Bytové větrání ve vztahu k produkci CO2, vlhkosti a škodlivin (II) [online]. 2006. [cit. 2009-10-31]. Dostupný z WWW: . [ 15 ] DOLEŽÍLKOVÁ, H.; PAPEŽ, K. Problematika bytového větrání [online]. 2008. [cit. 2009-10-31]. Dostupný z WWW: . [ 16 ] DRKAL F. [online]. Dostupný z WWW: . [ 17 ] FEUSTEL, H. E. COMIS – an international multizone air-flow and contaminant transport model. Energy and Buildings. 1999, 30, p. 3-18. [ 18 ] FINLAYSON, E. U.; GADGIL A. J.; THATCHER T. L.; SEXTRO, R. G. Pollutant dispersion in a large indoor space. Indoor Air. 2004, vol. 14 , p. 258-271.


15/17

[ 19 ] GEBAUER, G.; RUBINOVÁ, O.; HORKÁ, H. Vzduchotechnika. Brno : Era, 2005. [ 20 ] HALLIDAY, D.; RESNIK, R.; WALKER, J. Fyzika. (Z anglického originálu Fundamentals of Physics. Extended (5. vydání) vydaného nakladatelstvím John Wiley & Sons, Inc., v roce 1997 s přihlédnutím k 6. vydání z roku 2001). VUTIUM Brno ve spolupráci s PROMETHEUS Praha. Vydání první, 2000. [ 21 ] HEPPNER, D. B.; DAHLHAUSEN, M. J.; KLIMAS, R. Advanced CO2 removal process control and monitor instrumentation development. Cleveland : Life systeme, 1982. [ 22 ] HORÁČEK, P.; KŘÍŽ, J.; LANGER, M; NOVÁK, P. Výzkum perspektivních materiálů, technologií a regulačních procesů pro pasivní dům – výzkumná zpráva 2008-12-31. Praha : ČVUT, 2008. [ 23 ] HORÁČEK, P.; KŘÍŽ, J.; LANGER, M.; NOVÁK, P. Výzkum perspektivních materiálů, technologií a regulačních procesů pro pasivní dům – výzkumná zpráva 2009-09-10. Praha : ČVUT, 2009. [ 24 ] HROUDA, M.; NOVÁK, P. Modelování a řízení teploty a koncentrace CO2 v obytných budovách : zpráva k projektu. Verze 2009-06-07. Praha, 2009. 62 s. ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická. PDF. Nepublikováno. [ 25 ] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. Větrání a klimatizace. Brno: BOLIT-B Press, 1993. ISBN 80-901574-0-8. [ 26 ] JAYARAMAN, B.; LORENZETTI, D. M.; GADGIL, A. J.: Coupled Model for Simulation of Indoor Airflow and Pollutant Transport [online]. Berkeley 2004. [cit. 200908-05 ]. Dostupný z WWW . [ 27 ] JOKL M. Teorie vnitřního prostředí budov. Praha : ČVUT, 1986. [ 28 ] JOKL M. Zdravé obytné a pracovní prostředí. Praha : Academia, 2002. [ 29 ] KALAGASIDIS, A. S.; WEITZMANN, P.; NIELSEN, T. R.; PEUHKURI, R.; HAGENTOFT, C.-E.; RODE C. The International Building Physics Toolbox in Simulink. Energy and Buildings. 2007, 39, p. 665-674. [ 30 ] KARAFIÁT, J. Potřeby tepla pro člověka, způsoby vytápění a zdroje tepla [online]. , Praha, 2007. Dostupný z WWW: . [ 31 ] KREJČÍ, V. Výpočet tepelné zátěže – studijní materiál pro předmět Větrání a klimatizace I [online]. Brno : VUT, dostupný z WWW: . [ 32 ] KUBEŠ, P.; KYNCL, Z. Fyzika I. Praha : Vydavatelství ČVUT, 1991. ISBN 80-0102671-X. [ 33 ] LORENZETTI, D. M. Assessing multizone airflow simulation software [online]. Environmental Energy Technologies Division, Indoor Environment Department, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA, USA, dostupný z WWW: , LBNL – 49578, 2002. [ 34 ] LORENZETTI, D. M. Predicting Indoor Pollutant Concentrations, and Applications to Air Quality Management [online]. Lawrence Berkeley National Laboratory, 1 Cyclotron Road, Mailstop 90R3058, Berkeley CA 94720 USA. Dostupný z WWW: .


16/17

[ 35 ] MATHAUSEROVÁ Z.: Přirozené větrání, infiltrace a exfiltrace [online]. 2006. Dostupný z WWW: . [ 36 ] MEGRI, A. Ch. Building Load and Energy Simulation Programs and the Design Process. International Journal of Ventilation, Print ISSN: 1473-3315. Volume: 6, Issue: 2, Cover date: 1 September 2007, Page(s): 177-192, Chicago 2007. [ 37 ] MIKULČÁK J. a kol. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. Prometheus, 2004. [ 38 ] MORA, L.; GADGIL, A. J.; WURTZ, E. Comparing zonal and CFD model predictions of isothermal indoor airflows to experimental data. Presented at EPIC konference - Third European Conference on Energy Performance and Indoor Climate in Buildings, Lyon, France October 23-26, 2002. [ 39 ] Nezávislá energetická komise, Zpráva 2008-11-22. [online]. Dostupný z WWW: . [ 40 ] NOVÁK, J.; TYWONIAK J. Budova jako součást větracího systému / větrací systém jako součást budovy. Vytápění, větrání, instalace. 1/2006. [ 41 ] NOVÁK, J.; TYWONIAK, J. Stavební a energetická koncepce integrovaného navrhování budov [online]. Praha : ČVUT v Praze, 2005 [cit. 2009-08-05]. Dostupný z WWW . [ 42 ] NOVÁK, P. Dynamické modely environmentálních veličin pasivních domů. Pasivní domy 2009 – sborník z konference. 2009. Brno : Centrum pasivního domu. [ 43 ] NOVÁK, P. Modelování a řízení obsahu CO2 ve vzduchu v obytných budovách : bakalářská práce. Praha : ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická, 2008. 50 s. [ 44 ] Passivhaus Institut [online]. Dostupný z WWW: . [ 45 ] Passive House Institute, Dr. Wolfgang Feist: Passive House Planning Package 2007 – Specifications for Quality Approved Passive House (manual), Passive House Institute, Darmstadt, Německo, 2007. [ 46 ] PAUL – rekuperace tepla – Hlavní strana [online]. Dostupný z WWW: . [ 47 ] PERSILY, A. K. Modeling study of ventilation, IAQ and energy impacts of residential mechanical ventilation [online]. National Inst. of Standards and Technology, Building Environment Div., Gaithersburg, MD, 1998. Dostupný z WWW: . [ 48 ] POČINKOVÁ, M. Umístění plynových spotřebičů s ohledem na větrání bytových domů [online]. 2005. Dostupný z WWW: . [ 49 ] Projekční a poradenská kancelář QPRO v oborech klimatizace a vzduchotechnika [online]. Dostupný z WWW: <www.qpro.cz>. [ 50 ] Přispěvatelé Wikipedie: Přestup tepla [online]. Wikipedie: Otevřená encyklopedie, 2008, Datum poslední revize 26. 06. 2008, 19:09 UTC, [cit. 16. 11. 2008]. Dostupný z WWW: [ 51 ] Přispěvatelé Wikipedie: Équation d'Antoine [online]. Wikipédia, l'encyclopédie libre; 2009, Datum poslední revize 23.01.2009, 18:51 UTC [cit. 01.06.2009]. Dostupný z WWW:


17/17

. [ 52 ] RUBINOVI O. a A.: Vnitřní prostředí budov a tepelná pohoda člověka [online]. 2005. (Výběr z Klimatizace a větrání, Era, 2005). Dostupný z WWW: . [ 53 ] SCHELL, M. B.; TURNER, S. C.; SHIM, R. O. Application of CO2-Based DemandControlled Ventilation Using ASHRAE Standard 62: Optimizing Energy Use and Ventilation [online]. [cit. 2009-08-03]. Dostupný z WWW: . [ 54 ] STAVOVA, P.; MELIKOV, A. K.; SUNDELL, J.; NAYDENOV, K.G. A New Aprroach For Ventilation Measurement In Homes Based On CO2 Produced By People – Laboratory Study, 17th Air-Conditioning And Ventilation Conference, Prague, 2006. [ 55 ] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/91/ES [online]. Směrnice ze dne 16. prosince 2002 o energetické náročnosti budov [cit. 2009-10-17]. Dostupný z WWW: . [ 56 ] STEWART, J. R. Indoor Air Modelling [online]. [cit 2009-07-04]. Dostupný z WWW: . [ 57 ] ŠAFRÁNEK J. Okna a vnější dveře s ohledem na možnost výměny vzduchu [online]. 2005. Dostupný z WWW: . [ 58 ] ŠETLÍK, I.; SEIDLOVÁ, F.; ŠANTRŮČEK, J. Fyziologie rostlin. Biologická fakulta Jihočeské univerzity, 1998. [ 59 ] TYWONIAK, J. Nízkoenergetické, pasivní a další (domy) : Přednáška pořádaná organizací IAESTE. Čas konání 26.5.2009, od 16:00. Místo konání ČVUT v Praze FEL, místnost 52. [ 60 ] TZB-info – stavebnictví, úspory energií, technická zařízení budov [online]. Dostupný z WWW: . [ 61 ] U.S. DOE Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Home Page [online]. Dostupný z WWW: . [ 62 ] VAVERKA, J.; CHYBÍK, J.; MRLÍK, F. Stavební fyzika 2 – stavební tepelná technika. Brno : Vutium, 2000. [ 63 ] VOHLÍDAL, J., JULÁK, A., ŠTULÍK, K.: Chemické a analytické tabulky. Praha : Grada Publishing, 1999. [ 64 ] Wikipedia, The Free Encyclopedia [online]. Dostupný z WWW: . [ 65 ] WOLOSZYN, M.; RODE, C. Tools for Performance Simulation of Heat, Air and Moisture Conditions of Whole Buildings. Building Simulation. 2008, vol. 1, num. 1, p. 5 24. [ 66 ] ZMRHAL V. Popis výpočtu tepelné zátěže klimatizovaných prostor [online]. Praha : ČVUT, 2008. Dostupný z WWW: . [ 67 ] CONTAM 2.4b manual

Modelování environmentálních veličin pasivních domů pro podporu návrhu řídicích systémů

Recommend Documents