Simulace budov a techniky prostředí 2008 5. konference IBPSA-CZ Brno, 6. a 7. 11. 2008
SIMULACE PŘIROZENÉHO VĚTRÁNÍ ADMINISTRATIVNÍ BUDOVY Vladimír Zmrhal, Miloš Lain, František Drkal Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze e-mail:
[email protected] ABSTRAKT Článek popisuje použití energetického simulačního programu pro analýzu přirozeného větrání nově stavěné administrativní budovy. Cílem simulačního výpočtu bylo ověření parametrů vnitřního prostředí v budově bez nuceného větrání a chlazení. Budova je navržena jako těžká s vysokou tepelnou kapacitou. Okna, propojovací prvky a atria umožňují denní i noční přirozené větrání objektu. Simulační model zpracovaný v programu ESP-r zahrnuje jak geometrický model části budovy, tak model přirozeného proudění rozdílem hustot a účinky větru a simulace řeší paralelně proudění a energetické bilance objektu. Simulací byly ověřeny velikosti větracích otvorů a jejich optimalizace s ohledem na požadované teploty v učebnách a kancelářích. Klíčová slova: přirozené větrání, počítačová simulace NATURAL VENTILATION SIMULATON OF OFFICE BUILDING The paper deals with natural ventilation design of a new office building using energy simulation for concept verification. The main goal of the calculation was indoor thermal environment verification in the building without mechanical ventilation and without cooling. The building is designed as heavy with high thermal mass. The windows, connections and atrium provide the natural ventilation during the all day. Energy simulation model in ESP-r programme include the geometric model as well as natural ventilation model based on stack effect and wind influence. The simulation solve air flow and energy balance in the building in parallel. The dimensions of ventilation openings were checked by simulation and optimised in relation to indoor air temperature. Keywords: natural ventilation, dynamic simulation
ÚVOD Přirozené větrání je i u administrativních prostor stále velmi rozšířené, většinou se však používá u starších objektů. Nově stavěné administrativní budovy mívají většinou nucené větrání a klimatizaci. Při rekonstrukci starších objektů i stavění nových budov bez nuceného větrání a klimatizace není většinou koncepce přirozeného větrání detailně řešena, stejně jako dodržení tepelné pohody. To vede k tomu, že takovéto budovy často nejsou správně navrženy, přirozené větrání nestačí a dodatečně je instalováno chlazení s výrazně vyššími technickými i finančními nároky. U prezentované administrativní budovy byla situace naprosto jiná. Architekt již ve fázi předprojektové přípravy zadal ověření koncepce přirozeného větrání pro vybrané zóny. Během řešení projektu ke stavebnímu povolení, byla pak zpracována detailní studie pro téměř celou budovu prezentovaná v tomto článku. Ověření přirozeného větrání je velmi komplexní problém, vyžaduje paralelní řešení jak tepelných bilancí budovy, tak tlakových poměrů a průtoků vzduchu. Ruční výpočty většinou vycházejí ze zjednodušených předpokladů a komplexní řešení nabízí právě počítačová simulace. Pro studii byl použit software ESP-r, který představuje dynamické simulační prostředí
pro analýzu energetických a hmotnostních toků v budovách a zařízeních pro větrání, vytápění a klimatizaci. ESP-r provádí výpočet metodou zónové energetické simulace. V rámci simulačních výpočtů byl využit referenční klimatický rok pro Prahu se zaměřením na letní extrémy. Tyto údaje lze považovat v letním období za reprezentativní pro ČR. POPIS MODELU Modelovaná budova je vícepodlažní objekt (8 nadzemních podlaží a 3 podzemní podlaží), která bude postavena v Praze 6, Dejvicích. Objekt je rozdělen na několik funkčních celků. V nadzemních podlažích budovy (1. – 8. np) budou umístěny posluchárny, ateliéry, učebny a kanceláře. V budově jsou integrována 3 zastřešená atria. V podzemních podlažích jsou umístěny garáže. Model řeší energetickou bilanci prostor všech nadzemních podlaží se zaměřením na přirozené větrání budovy v letních extrémech. Budovu tvoří nosný železobetonový skelet, vnitřní stěny jsou zhotoveny převážně z cihlových, železobetonových, nebo skleněných příček. Vnější obvodová fasáda je středně těžká s výrazným podílem prosklených ploch. Půdorys objektu, včetně jeho orientace, je zřejmý z obr. 1.
N
1
2
3
4
6
5
7
8
9
A
2np_SZ 2np_CH
C
2np_JZ1
B
A1
D
2np_JV1 E
2np_JZ2
G
2np_SV
2np_CH F
A3
H
2np_JV2 I
Obr. 1 – Půdorysné schéma budovy s vyznačením orientace a řešených zón (typické podlaží pro 2. – 8. np) Pro analýzu proudění budovou byly sestaveny dva podrobné modely atrií A1 a A3 a přilehlých místností (viz obr. 1). Vlastní atria jsou pro účely simulačního výpočtu rozdělena na zóny po patrech. V každém patře k atriu přiléhají většinou 4 zóny (spojené z několika místností), pro každou orientaci fasády jedna. Tři zóny jsou u obvodových fasád (označeny podle orientace fasády) s přirozeným větráním a jedna vnitřní zóna směrem k dalšímu atriu (označená CH jako chodba) bez přirozeného větrání okny. Schéma modelu atria A1 je znázorněno na obr. 3. V rámci modelu bylo uvažováno i se zastíněním budovy stávajícím objektem na jihozápadě. Každý model atria byl rozdělen na 29 zón jejichž výčet zde není uveden.
JV Okna vnější fasáda
Okna vnitřní fasáda 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Obr. 3 – Schéma modelu atria A1 v programu ESP-r s naznačením polohy stávající budovy fakulty architektury (stínění) ZASKLENÍ Ve studii jsou pro fasádu použity celkem 2 typy zasklení pro venkovní fasádu a atrium a 1 typ vnitřního zasklení (viz tabulka 1). Fyzikální a optické vlastnosti zasklení potřebné pro simulační výpočty byly určeny na základě podkladů architekta projektu. Základním předpokladem pro funkci pasivního chlazení je minimalizace tepelných zisků, proto je nutné pro fasády použít vnějšího stínění tomu odpovídá i stínící součinitel. Tab. 1 – Použitá zasklení Použití skla Zasklení fasády Zasklení atria Vnitřní zasklení
Obr. 2 – Pohled na jihovýchodní fasádu objektu Simulace byly zaměřeny na letní období. Simulována byla perioda od 1. května do 30. září. Režim většiny zón byl uvažován přirozený bez chlazení a vytápění, proto může, především v květnu a září, docházet k poklesu teplot pod přípustné hodnoty. V reálném případě bude již pravděpodobně v provozu vytápění, případně dojde k omezení nočního větrání.
Typ Okno se sníženou propustností + vnější žaluzie Stopray Vision 50T-15ar-Planibel Clear 12 Jednoduché zasklení
g 0,16
U W/m2K 1,1
0,30
1,1
0,86
5,4
TEPELNÁ ZÁTĚŽ V zadání pro analýzu mikroklimatu byly uvedeny předpokládané vnitřní tepelné zátěže se zadaným průběhem během dne. Hodnoty vnitřních tepelných zátěží (vztažených na 1 m2 podlahové plochy) jsou uvedeny v tabulce 2. Předpokládá se působení vnitřní tepelné zátěže během provozu fakulty a to od 7:00 do 21:00, průměrně cca 9 hodin denně. Výsledné tepelné zátěže jsou poměrně nízké (s výjimkou počítačových učeben), to je způsobeno velkou půdorysnou plochou na osobu a počítač v kancelářích a předpokládaném omezeném používání notebooků v ateliérech a učebnách.
Tab. 2 – Vnitřní tepelné zátěže typových prostor Popis Učebny Ateliéry Kanceláře Chodby Haly Počítačová učebna 216 Počítačová učebna 217,218 Zasedací místnosti
Osoby
Osvětlení
Technologie
Celkem
W/m2 15,0 12,0 5,0 0,0 1,0 30,0
W/m2 0 0 0 4,5 6 0
W/m2 7,8 6,6 15,5 0,0 0,0 75,0
W/m2 22,8 18,6 20,5 4,5 7,0 105,0
tlakových ztrát (obr. 5). Pro zadání do simulačního programu byla ze zjištěných hodnot stanovena závislost tlakové ztráty na objemovém průtoku V (m3/h) v následujícím tvaru
∆p = kV 2
(1)
Odvod vzduchu z atria je realizován přirozeně otvorem o velikosti 12 m2 v nejvyšším bodě atria. E_A3
JZ C1
C4
SV
C2
C1
A8
E_8np
Eh_78np 8np
22,5
0
56,3
78,8
I_8np
C1
C4 C2
E_7np 7np
I_7np
C1
18,0
26,0
4,5
48,5
I_6np
5np
I_5np
C1 I_4np
3.np
I_3np
2np
I_2np
C1
C2
C2
A2
C1 E_2np I_2np
C4
A1
E_1np 1np
E_3np
C4 C4
C1 I_3np
C4
E_2np C3
E_4np C2
A3
E_3np
C3 E_1np
I_1np
I_1np
Obr. 4 – Zjednodušené schéma proudění vzduchu atriem A3 a okolními místnostmi Tab. 3 – Parametry potrubních úseků Patro 2.-3.np 4.-5.np 6.np 7.-8.np
Rozměr potrubí 1000x150 1000x180 1000x250 1000x200
Počet tlumičů 1 1 1 2
k 465,8 248,9 84,4 174,7
250 2. - 3. np (1000x150 mm) 4. - 5. np (1000x180 mm) 200
6. np (1000x250 mm) 7. - 8. np (1000x200 mm)
150
∆ p [Pa]
MODEL PROUDĚNÍ Energetický model byl doplněn o model přirozeného proudění zahrnující proudění způsobené rozdílem hustot a proudění způsobené účinky větru. Model vychází z koncepce přirozeného větrání zpracované na základě zjednodušeného modelu. Též bylo zahrnuto nucené větrání a klimatizace pro počítačové učebny a specifikované prostory. V modelu je uvažováno s přirozeným větráním 2. až 8.np s výjimkou klimatizovaných počítačových učeben ve 2.np a zasedacích místností větraných nuceně. V přízemí (1.np) je uvažován rovněž nucený přívod větracího vzduchu. Pro modelování přirozeného proudění vzduchu budovou byl použit modul programu ESP-r pro řešení proudění tzv. „Flow network“. Systém proudění je řešen na základě zadání jednotlivých tlakových uzlů, které reprezentují body na fasádě budovy ve venkovním prostoru, nebo v řešených zónách. V modelu jsou definovány velikosti jednotlivých prvků umožňující proudění vzduchu mezi tlakovými uzly, jako např. okna, otvory, atp. Vzájemným propojením uzlů přes prvky vzniknou trasy pro proudění vzduchu. Na obr. 4 je znázorněno zjednodušené schéma modelu proudění vzduchu budovou pro atrium A3. Větrání místností po obvodu budovy se předpokládá přirozené otevíratelnými okny. Okna budou mít část automaticky otevíratelnou. V simulačním výpočtu je uvažován nepřetržitý režim větrání otevřenými okny. Kromě toho je možné ručně otevřít další okna; s tímto větráním nebylo v simulaci uvažováno. Pro zajištění proudění vzduchu z jednotlivých zón (kanceláří, učeben, atd.) do atrií je každý modul opatřen krátkým potrubním úsekem, který se skládá z větrací mřížky, kolena a potrubního kusu o délce 1 m (tlumiče hluku). Velikost potrubí v každém patře byla optimalizována z hlediska průtoku. Uvedené propojení bylo v modelu nahrazeno jedním prvkem s předpokládaným parabolickým průběhem
C1 I_4np
C4 C2
C1
E_5np C2
A4
E_4np
C1 I_5np
C4 C2
4.np
E_6np C2
A5
E_5np
C1 I_6np
C4 C2
C1
Ed_78np C2
A6
E_6np
C1 I_78np
C4 C2
6np
C2
A7
100
50
0 0
500
1000
1500
2000
2500
3
V [m /h]
Obr. 5 – Průběh tlakové ztráty potrubních dílů v jednotlivých patrech
VLIV VĚTRU Pro výpočet účinku větru na přirozené větrání je vždy obtížné získat skutečné součinitele větru cp pro jednotlivé body fasády, zahrnující vliv tvaru budovy a jejího okolí. Tyto součinitele lze získat měřením na modelu v aerodynamickém tunelu, nebo počítačovou simulací proudění (CFD). Pro energetické výpočty byly použity tlakové součinitele vypočtené pomocí CFD [2]. Simulace zpracovaná s vlivem větru a reálnými součiniteli cp pak používá rychlosti a směry větru dle klimatických dat pro Prahu. VÝSLEDKY Vzhledem k rozsahu výsledků (hodinová data pro 58 zón) byla pro jejich analýzu použita metoda statistického vyhodnocení na základě četnosti výskytu teplot vzduchu pro vybraná období. Data jsou zpracována do souhrnných grafů prezentovaných na obr. 6. Pro vybrané měsíce, dny v týdnu, a hodiny dne (viz popis obrázku) jsou prezentovány četnosti (počty hodin v %) výskytu teploty vzduchu ve pěti intervalech (teploty nižší než 18 °C, teploty od 18 °C do 22 °C, teploty od 22 °C do 27 °C, teploty od 27 °C do 30 °C a teploty vyšší než 30 °C). Tyto intervaly lze zjednodušeně interpretovat jako velmi chladno, chladno, oblast tepelné pohody, teplo (přijatelné teploty za předpokladu adaptivní tepelné pohody) a horko pro teploty vyšší než 30 °C. Grafy na obr. 6 prezentují souhrnná data vypočítaných průměrných četností výskytu teplot pro jednotlivá podlaží (bez atrií a vnitřních zón). Tyto četnosti jsou vyjádřeny v procentech z celkového počtu uvažovaných hodin. Soubor grafů na obr. 6 je dále doplněn o maximální teploty v každém patře. Za rozhodující lze považovat výběr pouze pracovních dní a hodin v měsících červenci a srpnu. Na obr. 6 jsou též výsledky pro celou simulovanou periodu (květen až září), ale vzhledem k tomu, že okna byla ponechána stále otevřená a není uvažováno vytápění, dochází v části května a září k výrazným poklesům teplot. Výsledky ukazují, že teploty vyšší než 30 °C nastávají v budově naprosto výjimečně. Pouze v 1.np SZ fasády u atria A1 jsou teploty mírně vyšší. Jinak dochází k překročení teploty 30 °C pouze krátkodobě v 8. np. Také teploty vyšší než 27 °C nejsou v budově při přirozeném větrání příliš časté, nejnepříznivější je situace v 8. np, kde jsou tyto teploty necelých 90 hodin což je cca 13 % pracovní doby léta nebo 2 % z celé simulované periody. V naprosté většině letních pracovních hodin jsou teploty v pásmu tepelné pohody (22 až 27 °C). DISKUSE Vzhledem k tomu, že řešená budova bude převážně neklimatizovaná, je vhodné, v tomto kontextu, zohlednit tepelnou pohodu osob. Řada zahraničních studií i nově připravovaná evropská
norma (EN 15251) předpokládá tepelnou adaptaci osob především v neklimatizovaných prostorech a doporučuje rozdílné hodnocení podle tzv. adaptivní tepelné pohody. Při tomto hodnocení lze považovat, v případě vyšších teplot vzduchu ve venkovním prostředí, teploty vnitřního vzduchu až 30 °C za hodnoty odpovídající tepelné pohodě. Nutnou podmínkou je však možnost adaptace osob, ať již změnou oblečení nebo otevíráním oken. Obě tyto podmínky budou v nově stavěné budově dodrženy. V letním období nejsou na akademické půdě vysokých škol nároky na formální oblečení a v každé místnosti jsou další manuálně otevíratelná okna. Dalším výsledkem počítačové simulace jsou průtoky vzduchu jednotlivými místnostmi. Simulace prokázala, že v letním období je téměř vždy intenzita větrání vyšší než 3 h-1, čímž je zajištěn dostatečný průtok čerstvého vzduchu jak pro osoby tak pro noční větrání. ZÁVĚR Navržený systém přirozeného větrání je za zadaných okrajových podmínek (vnitřní tepelné zisky, referenční klimatické podmínky) schopen zajistit nočním větráním tepelnou pohodu v budově i přívod čerstvého vzduchu pro osoby. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011 Technika životního prostředí. LITERATURA [1] ESP-r, A Building Energy Simulation Environment, ESRU Manual. Energy System Research Unit, University of Strathclyde, Glasgow, 1998 [2] Janák M. Aerodynamický posudok za účelom posúdenia účinku vetra na budovu a jej okolie. prosinec 2007, NBD – Praha, Dejvice. [3] Lain M., Drkal F., Zmrhal, V. Studie energetické simulace nově stavěné budovy ČVUT Praha 6, Dejvice – I. ETAPA. Výzkumná zpráva, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, 2008 PŘEHLED OZNAČENÍ cp tlakový součinitel větru [-] g celkový činitel prostupu sluneční energie [-] k konstanta potrubní sítě [Pa.s2/m6] U součinitel prostupu tepla [W/m2K] ∆p tlaková ztráta potrubní sítě [Pa] V objemový průtok vzduchu [m3/h]
ATRIUM A3 - srpen A3 - červenec 100%
Četnosti teplot [%]
80% 60% 40% 20% < 18 °C
18 - 22 °C
22 - 27 °C
27 - 30 °C
> 30 °C
60% 40% 20% < 18 °C
0%
18 - 22 °C
> 30 °C
riu m At
8.n p
7.n p
6.n p
Část budovy
Četnosti teplot [%]
80% 60% 40% 20% 18 - 22 °C
22 - 27 °C
27 - 30 °C
80% 60% 40% 20%
> 30 °C
< 18 °C
0%
18 - 22 °C
22 - 27 °C
27 - 30 °C
> 30 °C
A1
30,0
28,0
26,0 2.np
3.np
4.np
5.np
Část budovy
Obr. 6 – Výsledky simulačních výpočtů
6.np
7.np
8.np
Maximální teploty vzduchu [°C]
8.n p At ri u m
p 7.n
p 6.n
p
Část budovy
32,0
1.np
5.n
p 4.n
p
p
3.n
1.n
p
At riu m
8.n p
7.n p
6.n p
5.n p
4.n p
3.n p
2.n p
1.n p
0% 2.n
Četnosti teplot [%]
27 - 30 °C
100%
< 18 °C
Maximální teploty vzduchu [°C]
5.n p
4.n p
3.n p
1.n p
At ri u m
8.n p
7.n p
6.n p
5.n p
4.n p
3.n p
2.n p
1.n p
Část budovy
Část budovy
květen až září (0.00 až 24.00)
22 - 27 °C
0%
100%
květen až září (0.00 až 24.00)
80%
2.n p
Četnosti teplot [%]
červenec až srpen (8.00 až 19.00)
ATRIUM A1 100%
32,0
A3
30,0
28,0
26,0 1.np
2.np
3.np
4.np
5.np
Část budovy
6.np
7.np
8.np
