Pasivní chlazení - nová éra v efektivitě budov Passive Cooling the New Era in Building Efficiency MICHAL KRAMÁŘ, RICHARD ŽAMPACH
S
s outlook for energy becoming more and more uncertain, new smart technologies have bright future in upcoming years. When most buildings rely on air conditioning systems (AC), new smart cooling systems will play greater part in building design, increasing efficiency and lowering operation costs.
Budoucnost energií
Energy Outlook
Každý rok se světová populace rozroste o zhruba 70 milionů. Tento populační růst znamená větší ekonomický boj o klesající zásoby energetických zdrojů. S tímto trendem souvisí i růst životní úrovně v mnoha rozvojových zemích a předevsím v Asii. V současnoti je většina energie spotřebovávána na provoz budov, kde největší podíl této energie představuje topení a chlazení. Často se má za to, že energie na topení je dominantní, pokud jde o zajištění komfortního vnitřního prostředí, ale je to naopak. Chlazení představuje celosvětově vetší spotřebu energií. Topení je význam-
Every year world population increases by around 70 million people. Such population increase means that more and more people are competing for diminishing energy resources. Alongside with this trend is the rise in living standard in many developing countries, especially in Asia. In today’s world most of energy is used in building with biggest portion of this energy going into heating and cooling. It often seems that heating is more dominant component when it comes to interior comfort, but in fact it is cooling that consumes more energy around the world. Heating cost is more significant in
Obr. 1 / Fig. 1
88
A
e snižujícími se rezervami energetických zdrojů vzkvétá jasná budoucnost tzv. chytrým technologiím. V současnosti je většina budov odkázána na klasický systém chlazení, ale chytré technologie chlazení budou hrát významnější roli v navrhování budov, provozní efektivitě a nižších nákladech na provoz.
klimatizace 2/2011
ným faktorem v chladnějsích klimatických podmínkách Evropy, Kanady, části USA a části Japonska. Všechny ostatní země od jihu Evropy, jihovýchodní Asie, střední Ameriky až po celou jižní polokouli jsou závislé na chlazení k celoročnímu zajištění komfortní teploty uvnitř interiérů. V teplých a tropických oblastech je většina energie vynaložena na chlazení, které v některých případech dosahuje i více než polovinu celkových nákladů na provoz budov.
colder climate like Europe, Canada, parts of USA, Russia and parts of Japan. All counties from southern Europe, Southeast Asia and Central America all the way down to entire southern hemisphere rely heavily on AC to maintain building comfort throughout the year. In warm and tropical climate most of building operation energy goes to building cooling, in some cases consuming more than half of entire energy used in building operation.
Současné chlazení Většina chladicích systémů využívá klimatizace a návrhování budov je pouze o zajištění dostatečného chladicího výkonu bez snahy dosáhnout výraznějších úspor. Tento trend představuje budoucí finanční zátěž pro majitele a provozovatele budov i jejich nájemníky tam, kde současné budovy nemohou být jednoduše modernizovány na nové technologie. Růst cen energií tak výrazně ovlivní cenu provozu a zatíží nájemníky dodatečnými náklady. Obr. 2 / Fig. 2
Přesto lze již dnes navrhnout budovy bez nutnoti použití klimatizací nebo významným způsoben snížit náklady na chlazení, implementací pasivních chladících technologií a materiálů (obr.1). V teplých a tropických podmínkách je většina budov navržena bez tepelných izolací, kvalitního zasklení nebo potřebného stínění. Současná stavební legislativa ve většině zemí s teplým podnebím nepovažuje za nutné budovy tepelně izolovat a izolace je většinou vnímána v návaznosti na efektivitu topení. Příjemná teplota musí být zajištěna u všech budov (tab. 1), nicméně představuje důležitou roli zejména ve třech segmentech nemovitostí, kde je považována za nezbytnou. Rodinné domy mají většinou vysokou obvodovou plochu v porovnání s vnitřním objemem. To představuje značné tepelné zisky přes obálku budovy. Na druhou stranu je obsazenost těchto objektů velmi malá a nízké jsou i vnitřní teplené zisky. Další výhodou u rodinných domů je to, že vyšší vnitřní teplotu významně neovlivňuje obsazenost budovy tolik jako v jiných segmentech realitního trhu. Obyvatelé často tolerují vyšší teplotu interiéru, případné chlazení představuje dodatečné náklady na energie.
Current Cooling Most of the current cooling is achieved by AC and designing building simply means installing sufficient cool power without any attempts to reduce energy consumption. This presents financial liability for building owner user and tenants for many years into the future, where existing building cannot be easily retrofit for newer and more efficient technologies. Rises in energy prices will render building maintenance expensive, creating additional burden for tenants. Yet new building can be design without any use of AC or with significant reduction to cooling capacity just by implementing new passive cooling technologies and materials (Fig. 1). In warm and tropical climates most buildings are designed without any insulation, efficient glazing or sufficient window shading. Current building codes in many countries do not see the need for insulation in hot climate, where insulation is mainly linked with heating efficiency. Comfortable temperature has to be maintained in all buildings, nevertheless it represents main concern 89
in three main types of building sectors where cooling is considered a necessity. Residential buildings have high surface area compared with internal volume. This means heat gains through building envelope will be quite significant. On the other hand occupation density is low accounting for smaller internal heat gains. Another advantage in residential buildings is fact that internal temperature does not affect occupancy as much as in other buildings. Occupants can often tolerate higher indoor temperatures if cooling means higher utility cost.
Obr. 3 / Fig. 3
Obchodní domy jsou většinou velmi kompaktní stavby s maximálním objemem a minimální plochou obálky. Toto představuje značnou výhodu, kdy tepelné zisky z exteriéru budovy mohou být snadně minimalizovány. Další výhodou je nízká hustota používání Běžná charakteriskitka domů Obsazenost
1 osoba na 10 m2
Obálka budovy U hodnota
U = 1 – 2 W/(m2*K)
Stínění
dostatečné
Vnitřní zdroje obsazenosti ... HO
60 W/os = 6 W/m2
Vnitřní zdroje od spotřebičů ... HA
15 - 20 W/m2
Tepelné zisky obálkou budovy ... HT + HS
5 – 10 W/m2
Chladicí výkon
30 - 35 W/m2
Tab. 1
spotřebičů produkujících teplo, jako je tomu u servrových místností, počitáčů a kancelářských zařízení. Významným faktorem při navrhování je pouze vysoká hustota obsazenosti a velká četnost osvětlení. Teplota interiéru je navíc velmi úzce spojena s návštěvností a tržbami a aby byla přijemná, je v nejlepším zájmu majitelů a manažerů obchodních center. 90
klimatizace 2/2011
Shopping centres are usually built very compact with maximum internal volume and minimal surface area. This represents significant advantage where heat gains coming from exterior can be easily reduced. Another advantage is low use of heat producing appliances such as computers, server rooms and other office equipment. The only concern in designing shopping centres is internal heat gain caused by high occupation density and extensive use of lighting. On top of this, internal comfort in shopping centres is tightly related to shopping centre attendance and revenues and maintaining pleasant climate is in best interest of shopping centre owners and managers. Usual building characteristics Occupation density
1 person per 10 m2
Building Envelope U value
U = 1 – 2 W/(m2*K)
Building shading
Sufficient
Occupation heat gain ... HO
60 W/person = 6 W/m2
Appliances heat gain ... HA
15 - 20 W/m2
Heat gain through building envelope ... HT + HS
5 – 10 W/m2
Cooling capacity
30 - 35 W/m2
Tab. 1
Office buildings represent third main building market. Office buildings are usually tall structures where internal volume and building envelope can represent one of main concern for cooling. Office spaces have also high density of occupants and appliances generating significant internal heat gains. Main concern is especially with trading floors where multiple servers and computers are used extensively throughout a day (Fig. 2).
Kancelářské budovy představují třetí významný segment trhu. Budovy jsou často vysoké a poměr vnitřního objemu a obvodového pláště může být jedním z faktorů ovlivňujících chlazení. Místnosti mají vysokou obsazenost osobami a zařizeními generujícími významné tepelné zisky, jako je tomu například u finančního obchodování, kde se intenzivně použivají servery a počitače v průběhu dne (obr. 2). Výpočet chladicího výkonu Chladicí výkon je tak vypočitán jako: CC = HT + HI + HS CC ... chladicí vykon HT ... tepelné zisky obálkou budovy HI ... interní tepelné zisky HS ... solární zisky Vnitřní tepelné zisky HI tak lze popsat jako: HI = HO + HA
Obr. 4 / Fig. 4
HO ... tepelné zisky z obsazenosti osobami HA ... tepelné zisky od spotřebičů a osvětlení
Cooling Capacity Calculation
CC = HT + HI + HS CC = HT + HO + HA + HS Dalším problémem je obálka budovy a samotná klimatizační jednotka. V Evropě je většina pasivních a nulových domů navržena se vzduchotěsnotí n50= 0.6 h-1. To znamená, že vnitřní vzduch je udržován uvnitř budovy a neuniká vlivem větrné expozice. Protože klimatizace vzduch pouze přivádí, tak se významně spoléhá na fakt, že „obálka“ budovy je co nejméně vzduchotěsná a vzduch z interiéru je neustále vytlačován mimo budovu přívodním vzduchem. To ale představuje významnou ztrátu chladicí efektivity, kdy je přichozí teplý vzduch konstantně chlazen k udržování konstantní teploty interiéru (obr. 1). Nová koncepce chlazení Jelikož obchodní centra a kancelářské budovy představují nejnáročnější chlazení, tak je možné říci,
Cooling capacity is calculated as: CC = HT + HI + HS CC ... cooling capacity HT ... heat gain through building envelope HI ... internal heat gains HS ... solar heat gains Internal heat gains HI can be described as: HI = HO + HA HO ... heat gains from occupancy HA ... heat gains from appliances and lighting
CC = HT + HI + HS CC = HT + HO + HA + HS Another issue is building envelope and cooling system by itself. In Europe most passive and zero energy 91
že pokud je možné chladit tyto objekty, je možné tento systém chlazení realizovat na většině budov od rodinných domů, po hotely a nemocnice. Otázkou zůstává, jestli tento systém může být navržen a instalován. Zvýšení účinnosti budov Prvním krokem je návrh obvodového pláště s izolací stěn a efektivním zasklením. Izolace zabraňuje nejen unikání tepla během zimy, ale také snižuje tepelné zisky v průběhu léta. Okna musí být nainstalována podle norem pasivního domu s minimalizací tepelných mostů, účinným zastíněním snižujícím solární zisky a vzduchotěsným připojením po celém vnějším obvodu. Okna musí být plně zastíněna v průběhu větší části dne. Stínění v tropickém podnebí lze dosáhnout snadněji než v evropských zemích, protože slunce se pohybuje na obloze v průběhu dne výš. Tím je potřeba stíněných i předsazených stínících ploch menší, při dosažení podobných výsledků jako ve většině severněji položených zemí. Díky tomu se tepelné zisky budovy obvodovým pláštěm sníží na 1 až 3 W na 1 m 2, což představuje 10 až 20 % úspor (obr. 2).
92
buildings is designed as air tight to n50= 0.6 h-1 standard. This means that inside air is maintained within the building and cannot escape due to wind exposure. Current buildings using AC do not require for buildings to be air tight, it is rather the opposite. Since AC only supplies air, it relies heavily on the fact that buildings are not air tight at all, cool air inside the building is constantly pushed out by new incoming cool air. This means massive lost in cooling efficiency where hot air needs to be constantly cooled to maintain building comfort. New Cooling Solution Since shopping centres and office buildings are the most difficult to cool. We can say that if efficient cooling can be designed for these buildings than it can be implemented in any building sector from residential buildings to hotels and hospitals. So the question is, can such a system be designed and implemented. Increasing Building Efficiency
Dosažení vzduchotěsnosti na úroveň standartu pasivních nebo nulových domů je nezbytností. Studený vzduch se udržuje v budově a teplému vzduchu je zabráněno v infiltraci směrem dovnitř. Vzduchotěsnost hraje větší roli ve vyšších budovách, kde větrná expozice představuje značný problém. Vzduchotěsnost obálky je rovněž důležitá pro větrání, které v úsporných budovách je na ní svou funkčností závislé. Pokud budova nedosáhne vysoké úrovně vzduchotěsnosti, rekuperace nemůze využít teplotu vnitřního vzduchu pro svůj chod.
First step is to design building envelope with insulated walls and efficient glazing. Insulation does not only stop heat from escaping during winters, but also prevents heat gains during summers. Windows have to be installed according to passive house standards minimizing thermal bridges, reducing solar gains and connecting air tightness throughout entire external surface area. Windows have to be fully shaded during most parts of the day. Shading in tropical climates can be achieved more easily than in European countries, since sun sits higher in the sky during a day. This allows for smaller shading surfaces with less shading overhanging area to achieve similar results as in most northern countries. This reduces heat gains through building envelope to 1 to 3 watts per 1 m 2, representing 10 to 20 % savings (Fig. 2).
Velkých úspor lze dosáhnout i použitím úsporných spotřebičů. Toto opatření je velmi významné, neboť může snížit vnitřní tepelné zisky od spotřebičů a osvětlení pod 10 W/m2 a snížit tím chladicí výkon o 30 %. Pouze na uživateli závisí rozhodnutí, které přináší nižší výdaje a to nejen za vlastní spotřebovanou elektřinu, ale i za podíl na provozních nákladech budovy (chlazení).
Air tightness to current European passive or zero energy standards is necessary. Cool air is kept within building and no hot exterior air penetrates into building. Air tightness plays bigger role in taller buildings where wind exposure is main concern. Air tight envelope plays another vital role when it comes to ventilation. Ventilation in efficient buildings relies on air tight envelope for its function. If building does not achieve
klimatizace 2/2011
Pasivní chlazení Pro další snížení potřeby chlazení je možné ve stavbách implementovat inteligentní materiály, které umožňují ukládání latentního tepla do stěn a stropů. Inteligentní materiály absorbují teplo v průběhu nejteplejší části dne, velké množství ho akumulují a zabraňují tak růstu teploty v interiéru, čímž se omezuje potřeba chlazení. Latentní teplo může být obnoveno v noci, kdy budova nemá žádné vnitřní tepelné zisky z obsazenosti osobami, ze zařízení a kdy vnější teploty jsou mnohem nižší než během dne. To umožňuje inteligentní chlazení během nejpřijatelnějších teplotních podmínek v průběhu noci. Nejvýznamnějšího snížení chlazení je dosaženo nahrazením klimatizačních systémů systémy nuceného větrání s rekuperací. Rekuperace tepla může použít již chladný vzduch z budovy pro předchlazení teplého vzduchu, přiváděného do objektu. Rekuperace nasává vnitřní vzduch a využívá jeho teploty. Vzduch přicházející do objektu je možné tímto způsobem ochladit na úroveň asi na 25 ° C. V teplých oblastech může být tento rozdíl velmi výrazný, snižující potřebu tepla na chlazení o 60 % i více, a to právě instalací rekuperace do budovy. Pro uplatnění tohoto systému musí být budovy již od počátku navrhovány s myšlenkou větrání. Dále je nutná instalace odpovídajícího vzduchotechnického potrubí, s cílem maximalizovat efektivitu celého systému a zároveň zabránit zahřívání vzduchu uvnitř potrubí . Vzduchotěsnost n50= 0.6 h-1 současného pasivního evropského standartu je nutností, kde jakékoliv netěsnosti budovy snižují efektivitu celého systému větrání a tím i chlazení. Zabezpečit další potřeby chlazení lze integrací systému pasivního chlazení do systému rekuperace tepla. Toto chlazení nevyužívá systému aktivního chlazení. Pasivní chlazení může být instalováno jako integrované chlazení ve stropních panelech nebo jako přímé chlazení vzduchu v potrubí v rámci větrání s rekuperací tepla. V obou případech je toto chlazení třeba zapojit do centrálního řídicího systému, který řídí všechny aspekty budovy. Pasivní chlazení používá jako chladicí medium studenou vodu. Studená voda cirkuluje chladicími okruhy , kde absorbuje teplo ze vzduchu přiváděného do míst-
high level of air tightness ventilation cannot use inside air for it operation. Main savings can be achieved using efficient appliances. This measure is very significant and can reduce internal heat gains from appliances and lighting below 10 Watts/m2, reducing cooling capacity by 30 %. Even though this is mostly up to tenants’ decision, using efficient appliances not only reduces their utility costs, but helps to lower their share in base building costs. Passive Cooling To further reduce cooling needs, buildings can implement smart material allowing for latent heat storage within walls and ceilings. Smart materials draw in heat during hottest parts of day, absorbing massive amounts of heat, preventing interior temperature from rising and reducing needs for cooling. Latent heat storage can be restored during nights when building has no internal heat gains from occupation and appliances and external temperatures are much lower than during a day. This allow for smart cooling during most favourable weather conditions. Most important reduction in cooling is achieved by replacing AC systems with heat recovery ventilation. Heat recovery can use already cool air from building for pre-cooling hot incoming air into building. Heat recovery extracts inside air and utilizes its temperature. Incoming air into building can be cooled this way to around 25°C. In warm climates this difference can be very significant reducing cooling needs by 60% or more just by implementing heat recovery ventilation into building. To implement this system buildings have to be design with heat recovery ventilation in mind. Also appropriate air ducting has to be installed to maximize efficiency of entire system while preventing air inside ducting from heating up. Air tightness to n50= 0.6 h-1 European passive house standard is a must, where any air leakage significantly reduces efficiency of ventilation system. To meet additional cooling needs, passive cooling system can be integrated into heat recovery ventilation. This cooling does not rely on active AC. Passive cooling can be installed as integrated cooling panels in ceilings or directly into air supply ducting as a part of heat recovery 93
nosti nebo přímo ze vzduchu z interiéru. Vracející se teplá voda může být použita jako užitková pro sprchování, kuchyň, nebo opětovně chlazena geotermální smyčkou. Tohoto je dosaženo bez nutnosti aktivního chlazení pouze cirkulací, při které proudí teplo z interiéru do chladicího média. Pasivní chlazení je dostačující, aby ochladilo vnitřní klima po většinu roku, což výrazně snižuje náklady na chlazení. Chlazení během nejteplejších částí dne je možno zajistit přidáním integrovaných prvků chlazení. Toto dodatečné chlazení je součástí rekuperace s pevným napojením na větrací potrubí a ovládáno centrálním řídicím systémem. Pokud je to nutné, pak dodatečné chlazení může být zapnuto. Toto chlazení je zabezpečováno tepelnými čerpadly, která využívají tepla z přiváděného vzduchu do interiéru a při tomto procesu vzduch dále chladí a jako vedlejší produkt vyrábí teplo. Nadměrné teplo může být využito pro ohřev teplé vody, nebo odvedeno do odpadního vzduchu. Tyto systémy mohou dosáhnout velmi vysoké účinnosti chlazení, snížit náklady na minimum v porovnání se stávajícími systémy aktivní klimatizace. Budovy s touto úrovní efektivity chlazení spoléhají na sofistikovaný systém měření a regulace (obr. 3 a 4). Senzory instalované v celé budově snímají údaje o kvalitě ovzduší, teplotě vody, teplotě konstrukcí, teplotě vnějšího prostředí, vlhkosti, znečištění ovzduší a provádí miliony přesných rozhodnutí každou sekundu k zachování příjemného vnitřního klimatu. Regulují větrání a pasivní chlazení, dodávají potřebné množství vzduchu a chladí na základě obsazenosti, využití prostor a teplot interiéru v průběhu dne. Nevyužívané části budovy jsou automaticky vypnuty nebo mají jen nutnou dodávku potřebného množství vzduchu a chlazení. Inteligentní senzory mohou také obnovit tepelnou kapacitu v latentních materiálech nebo ve vodě v závislosti na vnějších podmínkách a dále tak snížit potřebu chlazení v nejteplejších částech dne. V současnosti tento systém navrhuje firma GREENER FUTURE SOLUTIONS Austrálie a realizace začne letos na pilotním projektu v Sydney v Austrálii s využitím sofistikovaného a moderního řídícího systému DIGICONTROL společnosti GFR-DIGICONTROL (více informací na titulní straně časopisu). 94
klimatizace 2/2011
ventilation. In both cases this cooling needs to be integrated into central control system that controls all aspects of a building. Passive cooling systems use cold water as a cooling medium. Cold water circulates through cooling circuits capturing heat and cooling incoming air or interior directly. Returning warm water can then be used for showering, kitchen or cooled again by geothermal loops. All this is done without any need for active cooling, just by circulation during which heat flow from warm interior into colder circulating water. Passive cooling is sufficient enough to provide cool indoor climate during most part of a year, significantly reducing cooling costs. Cooling during hottest parts of a day can be provided by adding integrated cooling elements. This additional cooling is part of heat recovery, connected directly into ducting and controlled by central control system. If required additional cooling can then be turned on. This cooling is delivered by heat pumps that utilize heat from incoming air, cooling air in the process and producing excess heat as a by product. Excess heat can be used to heat hot water or dumped into exhaust air. These systems can achieve very high efficiency reducing cooling cost to next to zero when compared with current air-conditioning systems. To achieve this level of efficiency, buildings will rely on sophisticated regulation and instrumentation systems (Fig. 3 and 4). Multiple sensors are installed throughout entire building to measure air quality, water temperature, building temperature, exterior climate, humidity and air pollution making millions accurate decision every second to maintain pleasant indoor climate. These systems regulate ventilation and passive cooling, suppling air and cooling based on occupation density, space use and temperatures during a day. Unused parts of a building are automatically turned off or supply only needed quantity of air and cooling. Smart sensors can also replenish heat capacity in latent heat storage or in water based on outside conditions and further reducing needs for cooling during hottest parts of a day time. Currently this cooling system is being designed by GREENER FUTURE SOLUTIONS Australia and realization will begin on pilot project in Sydney Australia later this year using GFR Digicontrol system as a controlling solution (contact on the coversheet herein).
