Využitelné tepelné zisky v energeticky pasivních budovách

Sustainable construction of buildings

Využitelné tepelné zisky v energeticky pasivních budovách M. Ženka

ýVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra konstrukcí pozemních staveb, Praha, ýeská republika

SUMMARY: Effective Heat Gains in Energy Passive Houses In general there are two principles to analyze energetic behavior of buildings. Either it is possible to use detailed simulation methods or calculations based on monthly energy balance. The accuracy of energy needs of buildings is influenced by a number of factors, counting the complexity and detail of the tool, experience of the user, correctness of the model simulating reality, input data etc. In this article the focus is put on the comparison of usabilities of the two methods mentioned above – a dynamic simulation working in a short step and the monthly balance method. The goal is to verify the calculation for gain utilization factor, separately for solar and internal heat gains on a set of energy passive buildings for dwelling. The main incentive is the fact that origin and assumptions for derivation of the gain utilization factor, as it is defined in commonly used ISO 13790, is unclear and its correctness is therefore questioned in literature Kalema (2008), Oliveti (2011), Passys project (1989). It was derived as a regression function based on thermal simulations. However it is more than probable, that its derivation in nineties of the 20th century was done for a set of then usual energy standard of building, which certainly does not match the energy passive houses of today. ISO standard defines utilization factor of thermal gains on the basis of proportion between thermal gains and heat loss. Effective heat capacity of the building plays an important role in the formula as well. All is derived from monthly sums, not taking into account the origin of the gains or time when they are available. These facts led to a closer exploration of the issue. Comparison of the two methods in Figs 2, 3 give some differences in results mostly around ȖH = 1, which corresponds with the work of Kalema (2008). Closer exploration reveals that the inaccuracy grows with the ascending portion of solar gains to internal ones. Fig 4 serves as assurance that a newly introduced methodology for identifying total usability is correct. Further on separate usabilities for solar and internal gains are calculated for specific scenarios. Figs 5, 6 indicate that in most cases it is incorrect to assume the same portion of solar and internal gains to reduce the energy need for heating. Usability factor for solar energy tents to be always lower. A dynamic simulation extract of 3 spring sunny days outlines the reasons. Both an actual value of solar heat gains (usually high when sunny) and their displacement in time seem to be the key parameters.

Udržitelná výstavba budov

9


1 ÚVOD Existují v zásadČ dva pĜístupy jak analyzovat energetické chování budov. Buć jsou k dispozici podrobné simulaþní software, nebo lze používat výpoþtové metody založené na mČsíþní energetické bilanci. Dynamické simulace provádí výpoþty v krátkém þasovém kroku (pro zjištČní roþních potĜeb – typicky po hodinČ), v nČmž aktuálnČ vyhodnocují teplotu v interiéru a na ní založené potĜeby energie na vytápČní pĜíp. chlazení. Bilanþní výpoþty napĜ. ISO 13790 (Thermal Performance of Buildings - Calculation of energy use for space heating and cooling) poþítají bČžnČ pouze s mČsíþními potĜebami tepla a chladu. PĜesnost výpoþtu energetické nároþnosti budov ovlivĖuje nejen podrobnost a komplexnost výpoþtových metod, ale i šikovnost hodnotitele, který dokáže správnČ pĜevést realitu do výpoþtu, a dĤvČryhodnost vstupních dat jako jsou rozmČry, tepelné charakteristiky materiálĤ, koeficienty pĜestupu tepla, atd. Je zĜejmé, že zkušený expert s vČtší pravdČpodobností získá relevantnČjší výstupy a s neodpovídajícími vstupy lze tČžko pĜedpovídat reálné výsledky. Je ovšem zajímavé zjistit, zda pĜesnost dynamické simulace založené na výpoþtu v krátkém þasovém kroku odpovídá výstupĤm z bilanþní mČsíþní metody. PĜedmČtem je ovČĜit vztah pro využitelnosti ziskĤ, a to oddČlenČ pro zisky solární a vnitĜní, na souboru energeticky pasivních objektĤ pro bydlení. Hlavním motivem je skuteþnost, že korektnost faktoru využitelnosti ziskĤ, tak jak je definován v ISO 13790, bývá v literatuĜe zpochybĖována a pĤvod a pĜedpoklady odvození nejsou zcela nejasné (Kalema 2008, Passys project 1989). Jde o regresní vztah vzniklý na základČ tepelných simulací. Je však pravdČpodobné, že jeho odvození v 90. letech 20. století probČhlo na vzorku budov tehdy obvyklé tepelnČ-technické kvality výstavby, která zcela jistČ neodpovídá parametrĤm energeticky pasivních staveb.

2 FAKTOR VYUŽITELNOSTI TEPELNÝCH ZISKģ 2.1 ISO 13790 Podle pĜílohy I v ISO 13790 je faktor využitelnosti ziskĤ ve výpoþtu zodpovČdný za to, že pouze þást solárních a vnitĜních ziskĤ je využita ke snížení potĜeby energie na vytápČní, zbytek vede ke zvýšení vnitĜní teploty nad stanovenou mez. Tento pĜístup zcela vypouští nevyužitelné zisky z bilanþního výpoþtu. To je vyváženo skuteþností, že nejsou zapoþteny ani navýšené úniky tepla zpĤsobené nadbyteþnými zisky. Prostup tepla vČtráním a vedením je poþítán vzhledem ke zvolené požadované vnitĜní teplotČ; pĜehĜívání, pokud vzniká, je ignorováno. Faktor využitelnosti je tedy funkcí pomČru tepelných ziskĤ a ztrát vztažených k požadované vnitĜní teplotČ. Tento vztah je vyjádĜen v kapitole 7.

QH ,GN

QH , HT K H ,GN QGN

(1.1)

QH, ND mČsíþní potĜeba tepla na vytápČní s nastavením podle 1) (viz dále) QH, HT mČsíþní ztráta ze simulace se stálou vnitĜní požadovanou teplotou Ta,min = 20°C celkový mČsíþní tepelný zisk (solární + vnitĜní) QGN ȘH,GN faktor využitelnosti tepelných ziskĤ

10



BezrozmČrný faktor využitelnosti je v kapitole 12 definován jako funkce pomČru zisku a ztrát ȖH a parametru DH závislého na efektivní kapacitČ budovy. Navíc je definován speciální pĜípad, kdy je ȖH =0. a

KH,gn

JH

1 J HH a 1

(1.2)

1 J ǾH

QH ,GN

(1.3)

QH , HT

Parametr DH je poþítán podle (1.4)

D H D H,0

W W H,0

(1.4)

kde bezrozmČrný parametr DH ,0 = 1,0, referenþní þasová konstanta pro nepĜetržitČ vytápČné budovy v mČsíþním výpoþtu ĲH,0 = 15 h a Ĳ je þasová konstanta budovy nebo zóny.

3 VSTUPNÍ DATA A HODNOCENÝ SOUBOR BUDOV Výpoþty byly provádČny na objektech velikosti typického rodinného domu kompaktního tvaru (A/V = 0,79 m2/m3) o pĤdorysných rozmČrech 9m x 9m, dvou podlažích s plochou stĜechou. Souþinitel prostupu tepla pro neprĤhledné obvodové konstrukce byl volen na úrovni pasivního domu (0,10 – 0,14 W/m2.K). Klimatická data byla brána ze software Meteonorm 6.0 pro lokalitu Praha. Byly zkoumány všechny kombinace parametrĤ uvedených v Tab. 1. Tabulka 1. Vstupní data pro zkoumaný soubor budov Parametr Rozptyl hodnot Okna 2-skla (UW=1,2 W/m2.K, g0=0,65) 3-skla (UW=0,8 W/m2.K, g0=0,50) Plocha prosklení 2% - 24% obvodového pláštČ (po 3,5%) Orientace oken 1) 100% (V) 2) 100% (J) 3) 100% (Z) 4) 20% (V) - 60% (J) - 20% (Z) PrĤmČrný souþinitel prostupu tepla 0,15 – 0,27 W/m2.K VnitĜní zisky – hodnota 1,8 ; 2,9 ; 4,0 ; 5,1 ; 6,2 W/m2 VnitĜní zisky – rozdČlení v þase 1) rovnomČrnČ, stejná hodnota každou hodinu 2) mezi 8:00 – 16:00 jen 100 W (provozní energie), ve zbytku dne a noci rovnomČrnČ Efektivní kapacita budovy 8,7.106 ; 17,4.106 ; 26,1.106 ; 43,5.106 ; 87,1.106 ; 130,9.106 J/K Odpovídající þasová konstanta 23 h – 704 h Celkový mČrný tepelný tok 52 – 104 W/K


11


4 VÝPOýETNÍ MODEL Dynamické simulace byly provedeny na jedno-uzlovém modelu, který reprezentuje celou budovu, v hodinovém kroku výpoþtu. Solární zisky neprĤhlednými konstrukcemi ani dlouhovlnné sálání vĤþi obloze není uvažováno. Uzel vnitĜní teploty v sobČ zahrnuje kromČ kapacity vzduchu i ekvivalentní kapacitu konstrukcí v rozmezí podle Tab. 1.

Te

Kinf Kvent

Ta

Te

Qs + Qi + Qp Ceff

Kcond Te

Obrázek 1. Schéma jedno-uzlového modelu budovy.

Pokud by ztráta do okolí ponížená o zisky (solární + vnitĜní) zpĤsobila pokles Ta pod požadovanou hodnotu, vyrovná ji svým výkonem Qp ideální systém vytápČní. Jsou tedy nejprve 100% upĜednostnČny tepelné zisky, což je v souladu s pĜedpokladem ideálního otopného systému podle ISO. Se zkoumaným souborem budov byly provedeny tĜi kategoricky odlišné druhy výpoþtu, pro nČž byly definovány maximální teplota pro využitelné zisky Tmax,v a maximální dovolená teplota v interiéru Ta,max. Pokud Ta pĜekroþí Tv,max, další zisky nejsou zahrnuty mezi tzv. využitelné. Pokud Ta pĜekroþí Ta,max, je spuštČn ideální systém chlazení, který Ta udrží na hodnotČ Ta,max. Minimální požadovaná teplota Ta,min byla vždy nastavena na 20 °C. 1) Ta,min = 20 °C, Tv,max = 26°C a Ta,max = 26 °C 2) Ta,min = 20 °C, Tv,max = 20°C a Ta,max = 20 °C 3) Ta,min = 20 °C, Tv,max = 20°C a Ta,max = 26 °C Upravením rovnice (1.1) podle ISO standardu lze zapsat vztah pro faktor využitelnosti ziskĤ v podobČ, do které lze dosazovat výsledky simulace.

K H , ND

QH , HT QH , ND

(1.5)

QGN

5 VÝSLEDKY Jak je poznamenáno v pĜíloze I ISO standardu, výpoþet faktoru využitelnosti je založen na malém rozdílu dvou velkých þísel, proto mĤže i malá chyba vést k vČtším nepĜesnostem ve výsledcích. NepĜesnosti mohou vznikat jak na stranČ ztrát tak i ziskĤ. NapĜ. pokud je v simulaci Ĝízena vnitĜní požadovaná teplota teplotou vzduchu místo teploty operativní, vnitĜní povrchy jsou tedy chladnČjší a výsledná ztráta prostupem nižší. Na druhé stranČ ISO standard zapoþítává všechny solární zisky vstupující do budovy, v detailní simulaci mĤže menší þást solárních ziskĤ budovu pĜímo opustit, napĜ. jiným oknem nebo odrazem od vnitĜních povrchĤ pĜes vČtší prosklení zpČt do exteriéru (Oliveti 2011), tyto pak zĤstanou z þásti nedetekovány termostatem. Následkem jsou výsledné uvažované solární zisky menší než pĜedpokládané v ISO standardu. ObecnČ má na hodnotu skuteþných solárních ziskĤ v interiéru vliv i celá Ĝada dalších rozdílností v pĜístupu ISO standardu a detailní simulace, jako napĜíklad zpĤsob výpoþtu zastínČní vnČjšími pĜekáž-

12



kami, úhlovČ závislé charakteristiky zasklení aj. Výpoþet se zdá být jednoduchý, ale s ohledem na zmiĖované skuteþnosti se obvykle nelze vyhnout malým chybám tzv. „šumu“. Výše zmínČné vlivy jsou v dalším textu a prezentovaných srovnání odfiltrovány, faktor využitelnosti je v obou pĜípadech poþítán na základČ stejných vstupních dat ziskĤ a ztrát. Z porovnání prĤbČhĤ faktoru využitelnosti v závislosti na pomČru zisku ku ztrátČ je patrné, že výpoþet podle ISO je v dobrém souladu s výsledky simulace. NejvČtší nesoulad je pozorován v intervalu 0,3 – 1,5 pomČru zisk/ztráta u extra lehkých staveb a v intervalu 0,3 – 1,0 u staveb s vysokou kapacitou. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40

0,30 0,20

0,10 0,00

0,10 0,00 1

2

3 4 5 QGN / QHT [-]

6

ISO

0,60 0,50 0,40

0,30 0,20

0

simulace

0,80 0,70

ISO

Ș S+I [-]

Ș S+I [-]

1,00 0,90

simulace

7

0

1

2

3 4 5 QGN / Q HT [-]

6

7

Obrázek 2. Faktor využitelnosti tepelných ziskĤ podle ISO vs. simulace, scénáĜ 1 a Ceff = 8,7.106 J/K resp. Ceff = 130,9.106 J/K (vzorek budov s prĤmČrem þasové konstanty Ĳ = 519 h resp. Ĳ = 35 h). Qs/Qi 0,0 - 0,2 0,2 - 0,4 0,4 - 0,6 0,6 - 0,8 0,8 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4,0 4,0 - 5,0 5,0 - 7,5 7,5 - více ISO ISO

ȘS+I [-]

0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0

1

2 3 QGN/Q HT [-]

4

1,00 0,90 0,80 0,70 ȘS+I [-]

1,00 0,90

0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0

1

2 3 QGN/Q HT [-]

4

Obrázek 3. Faktor využitelnosti tepelných ziskĤ podle ISO vs. simulace, scénáĜ 1 a Ceff = 8,7.106 J/K, pro velmi malou plochu prosklení a trojskla resp. velkou plochu prosklení a dvojskla, þasová konstanta Ĳ = 46 h resp. Ĳ = 23 h.


13


Každý bod v grafech odpovídá výsledku jednoho mČsíþního výpoþtu. Soubor dat z Obr. 2a byl dále analyzován a výsledky rozdČleny podle pomČru solárních a vnitĜních ziskĤ. U obou kategorií se projevuje stejný trend závislosti využitelnosti ziskĤ na jejich pĤvodu. Ukazuje se, že se zvyšujícím se podílem solárních ziskĤ klesá celková využitelnost (viz. Obr. 3). Problém se výraznČji projevuje u lehkých staveb. Podíl využitelnosti solárních a vnitĜních ziskĤ byl zkoumán na výsledcích podle scénáĜe 2, kdy je teplota neustále držena na konstantní hodnotČ 20 °C. Je sledována celková mČsíþní využitelnost poþítaná podle (1.5) (oznaþení „simulace“ v Obr. 5) a paralelnČ je zaznamenávána mČsíþní využitelnost poþítaná tak, že je každou hodinu zjišĢováno kolik energie pocházející ze solárních resp. vnitĜních ziskĤ pĜispívá k pokrytí tepelných ztrát (barevnČ). Absolutní shoda na úrovni celkové využitelnosti ziskĤ (vnitĜní + solární) potvrzuje korektnost metodického pĜístupu. Qs/Qi

1,00

0,0 - 0,2 0,2 - 0,4 0,4 - 0,6 0,6 - 0,8 0,8 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4,0 4,0 - 5,0 5,0 - 7,5 7,5 - více ISO simulace

0,90 0,80

ȘS+I [-]

0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0

1

2

3 4 QGN /QHT [-]

5

6

7

Obrázek 4. Faktor využitelnosti tepelných ziskĤ (solárních + vnitĜních) v závislosti na pomČru solárních a vnitĜních ziskĤ; porovnání výsledkĤ simulace podle scénáĜe 2. Hodnoty ISO pro Ceff = 26,2.106 J/K zde mají pouze ilustrativní charakter.

KĜivka bodĤ odpovídající využitelnosti podle ISO je zde jen pro dokreslení. TvoĜí vlastnČ jakousi horní limitu. Je dobĜe pozorovatelné, že svČtlé body, oznaþující mČsíce s minimem solárních ziskĤ vĤþi vnitĜním, se jí více pĜibližují. Jde o situace, kdy v þase rovnomČrnČ rozložené vnitĜní zisky nejsou prakticky narušovány nárazovČ pĤsobícími solárními. Jelikož je teplota Ta zámČrnČ držena na stejné hodnotČ po celý rok, není tak ani umožnČno „nabíjení“ konstrukcí, což zvyšuje potĜebu tepla na vytápČní QH,ND ze vzorce (1.5) a následnČ snižuje využitelnost. S pĜibývajícími solárními zisky využitelnost dále klesá. Princip výpoþtu faktoru využitelnosti podle (1.5) je velmi elegantní, nevýhodou ovšem je, že podle nČj nelze zjistit pĤvod zapoþtených ziskĤ. V ISO je zjednodušenČ uvažováno se stejným faktorem pro obČ tyto skupiny. Na scénáĜích 1 a 2 byl proveden pokus zjistit o této problematice více. Ani jeden z tČchto scénáĜĤ neodpovídá výpoþtu podle ISO, ale lze Ĝíci, že pĜedstavují jakési dva hraniþní stavy, mezi nimiž se ISO výpoþet leží. Z rozdČlení využitelnosti ziskĤ podle jejich pĤvodu je v obou pĜípadech zĜejmé, že využitelnost vnitĜních ziskĤ je pro vČtšinu mČsícĤ vyšší než využitelnost solárních.

14


Sustainable construction of buildings 1,00 0,90

ȘS resp. ȘI [-]

0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0

1

2

3 4 QGN /QHT [-]

5

6

7

Qs/Qi 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 7,5 ISO

(Șs) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 7,5 více

Qs/Qi (Și) 0,0 - 0,2 0,2 - 0,4 0,4 - 0,6 0,6 - 0,8 0,8 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0 2,0 - 3,0 3,0 - 4,0 4,0 - 5,0 5,0 - 7,5 7,5 - více

Obrázek 5. Faktor využitelnosti solárních resp. vnitĜních tepelných ziskĤ v závislosti na jejich vzájemném pomČru; porovnání výsledkĤ simulace podle scénáĜe 1 (Ta,max = 26 °C). Hodnoty ISO pro Ceff = 26,2.106 J/K zde mají pouze ilustrativní charakter. 1,20 scénáĜ 1

1,00

scénáĜ 2

ȘS/ȘI [-]

0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0

1

2

3 4 Q GN/Q HT [-]

5

6

7

Obrázek 6. PomČr faktorĤ využitelnosti solárních a vnitĜních ziskĤ pro scénáĜ 1 (Ta,max = 26 °C) resp. scénáĜ 2 (Ta,max = 20 °C) a všechny kapacity z Tab 1.

Za reálného pĜedpokladu, že pro podmínky výpoþtu podle ISO se „mrak“ mČsíþních hodnot ȘS / ȘI na Obr. 6 bude vyskytovat mezi Ĝešeními pro scénáĜe 1 a 2, lze konstatovat, že skuteþná využitelnost solárních a vnitĜních ziskĤ je pomČrnČ odlišná. Pro budovy v pasivním energetickém standardu, kde je pomČr ziskĤ ke ztrátám obecnČ vyšší než u bČžných budov, lze pĜedpokládat tento rozdíl jako významnČjší. PĜíþinu tohoto rozdČlení je možné vysledovat pĜi podrobnČjší analýze dat v prĤbČhu jednotlivých dní. Pro ozĜejmČní principu byly vybrány 3 pomČrnČ sluneþné bĜeznové dni. Na Obr. 7 je dobĜe vidČt, že po vyþerpání „nabíjecí“ kapacity uzlu Ta solární energií v dopoledních hodinách, dojde ke zvýšení Ta na kritickou hodnotu a dále jsou jako využitelné zapoþteny jen zisky kompenzující ztrátu vĤþi okolí; a to jak vnitĜní tak solární se stejnou využitelností. V noci teplota Ta opČt klesá a umožní plné využití vnitĜních ziskĤ. PomČr využitelnosti solárních a vnitĜních ziskĤ bČhem tČchto 3 dní jasnČ dokládá výše popsané skuteþnosti.


15


zisky [W]

6 000

Qs_v Ta

Qi Te

35

120

30

100

5 000

25

4 000

20

3 000

15

2 000

10

1 000

5

0

0 74

75

76 den v roce

77

teplota [C]

Qs Qi_v

zisky souþtem [kWh]

7 000

Qs Qs_v Qi Qi_v

80 60

70 %

40 20

89 %

0 74

75 76 den v roce

77

Obrázek 7. Ilustrativní prĤbČh solárních (Qs) a vnitĜních (Qi) ziskĤ a jejich využitelných podílĤ (Qs_v) a (Qi_v) v relaci k interní (Ta) e exteriérové (Te) teplot; podle scénáĜe 1 (Ta,max = 26 °C).

Bylo zkoumáno i jiné rozložení vnitĜních ziskĤ v þase (viz Tab. 1), které pĜedpokládalo nepĜítomnost osob v objektu v dobČ od 8:00 do 16:00, napodobující stav, kdy obyvatelé odejdou do práce. Ve zbytku þasu byla rovnomČrnČ rozložena zbývající energie, tak aby souþet za 24 hod byl stejný. Výsledky jsou velice podobné. Tato zmČna má za následek malé snížení potĜeby tepla na vytápČní a malé zvýšení celkového faktoru využitelnosti, za který je zodpovČdná zvýšená využitelnost vnitĜních ziskĤ.

6 ZÁVċR Hlavním motivem pro podrobnČjší ovČĜování využitelnosti tepelných ziskĤ není snaha po úpravČ výpoþtu potĜeby tepla na vytápČní, ale nalezení pĜíþinných souvislostí jednotlivých parametrĤ v budovČ vedoucích k jejímu optimálnímu návrhu, a to zejména pro objekty energeticky pasivní až nulové, kde stávající poznatky a zjednodušení, platná pro bČžnou výstavbu, nemusí být stejnČ univerzálnČ použitelné. Ukazuje se, že u takto kvalitních budov lze bilanþní výpoþty použít spíše k deklarativním úþelĤm za dohodnutých podmínek. Vzhledem k zjednodušením u výpoþtĤ bilanþního charakteru a vysoké citlivosti energeticky pasivních staveb na vČtší spektrum parametrĤ, nemusí již dobĜe sloužit k jejich návrhu a optimalizaci. REFERENCE "ISO 13970. Energy Performance of Buldings - Claculation of Energy Use for Space Heating and Cooling." 2008. Kalema T., Pylsy P. "Accuracy od the Calculation of Heating and Cooling Energy Needs in Nordic Conditions." Building Physics 2008. Oliveti, G. at al. "An Acurate Claculation Model of Solar Heat Gain through Glazed Surfaces." Energy and Buildings, 2011. The PASSYS Project Phase 1. Subgroup Simplified Design Tools. Final Report. Commissionig of the European Communities. Directorate-General XII for Science, 1986-1989.

16


Využitelné tepelné zisky v energeticky pasivních budovách

Recommend Documents