Vliv průtoku vzduchu na tepelnou bilanci fasády s větranou mezerou 2. díl

Data

Měřením za pomoci měřicí ústředny AHLBORN ALMEMO 5690-2, sérií teplotních čidel po několika kontrolních bodech na fasádě a pyranometrů jsme dostali hodnoty teplot, rychlosti proudění vzduchu, vzdušné vlhkosti a intenzity sluneční radiace působících na měřené fasádě. Následně výzkumný tým převzal po určitém časovém odstupu data z měřicí stanice a převedl všechny měřené hodnoty do softwaru MS Excel, ve kterém bylo podstatně jednodušší tyto data analyzovat.

Kontrolní body na fasádě byly sestaveny tak, aby měřily dvě série teplot ve spodní části fasády a dvě série teplot v horní části fasády, tedy 4 kontrolní body. Výška fasády je 14 metrů. Na fasádě šedé barvy byly 2 kontrolní body, a to jedna série čidel ve spodní části šedé fasády a jedna série čidel v horní části šedé fasády. Měřicí ústředna byla v zimním období opatřena tepelně izolačním krytem proti možnému zamrznutí. Zaznamenávali jsme veškerá data po 10 minutách 24 hodin denně v průběhu celého roku a dostali jsme při jejich zpracovávání a analyzování skutečný vhled do fyzikálních jevů přítomných na fasádě.

Výsledky

Naměřená data jsme po zpracování mohli analyzovat a udělat si představu o průběhu stavebně fyzikálních jevů přítomných na/ve větrané fasádě. V následujících grafech (Obr. 1., Obr. 2.) můžeme vidět průběh teplot a vliv sluneční radiace a venkovní teploty na teploty vzduchu v mezeře větrané fasády. Data reprezentují vždy dva referenční po sobě následující dny v jednom měsíci daného ročního období. Rozlišujeme dvě hodnoty teplot vzduchu v mezeře pro jeden časový okamžik, a to teplotu v horní části fasády (ve výšce zhruba 14 metrů od spodní části) a teplotu ve spodní části fasády (výška fasády zhruba 0,5 metru). Samotná větraná fasáda o výšce 14 metrů se nacházela ve výšce 3 metrů nad upraveným terénem kolem objektu. V grafech (Obr. 1., Obr. 2.) tyto hodnoty představují pro horní část fasády zelená křivka a pro spodní část fasády modrá křivka.

Obr. 1. Vliv venkovní teploty a sluneční radiace na teplotu v mezeře – zima, prosinec 2021

Obr. 2. Vliv venkovní teploty a sluneční radiace na teplotu v mezeře – léto, červenec 2021

Na grafech (Obr. 1., Obr. 2.) je dobře znázorněno, jak velký vliv má sluneční radiace na teplotu uvnitř větrané mezery. A to jak v zimním, tak v letním období.

V rámci zjišťování korekčních součinitelů bylo potřeba aproximovat hodnoty součinitele pohltivosti materiálu obkladu ε [–] a součinitele přestupu tepla α [W.m⁻².K⁻¹] pro výpočet povrchové teploty obkladu t_p [°C] podle výpočetního vztahu (1):

(1)

kde je

t_p

výpočtová povrchová teplota obkladu [°C]

t_e

teplota venkovního vzduchu [°C]

I

intenzita sluneční radiace [W.m⁻²]

ε

součinitel světelné pohltivosti obkladu [–]

α

součinitel přestupu tepla [W.m⁻².K⁻¹]

Hodnoty jsme aproximovali tak, aby se výsledná teplota povrchu obkladu s co největší přesností přiblížila námi naměřené vnější teplotě povrchu obkladu na skutečné fasádě. Výsledkem byla jedna hodnota α a jedna hodnota ε pro každý měsíc zvlášť. Zjištěné hodnoty součinitelů v sobě zjednodušeně zahrnovaly vliv povětrnostních a klimatických podmínek pro daný měsíc na fasádě s danými parametry [2].

Obr. 3. Příklad použití výpočetního vztahu (1) s již aproximovanými koeficienty pro výpočet t_p v porovnání s naměřenými teplotami na skutečné fasádě. „k3“ zde reprezentuje třetí kontrolní bod na fasádě, který se nachází na horní levé straně fasády a jeho hodnoty představují teploty vnějšího povrchu obkladu fasády. Analogicky „k4“ je čtvrtým kontrolním bodem, který se nachází na horní pravé straně měřené fasády. Také představuje teploty na vnějším povrchu obkladu fasády. Graf zobrazuje 4 dny v září 2021.

Aproximované hodnoty součinitelů α a ε jsou používány pro korekce výpočtů v softwaru FSVM. Následující výsledky budou prezentovány jako výsledky přímo z tohoto programu. Vstupní údaje zadáváme ručně:

Tabulka 1. Vrstvy obvodového zdiva a jejich vlastnosti

kde je

d

tloušťka vrstvy [m]

λ

součinitel tepelné vodivosti materiálu vrstvy [W.m⁻¹.K⁻¹]

Možné grafické a číselné výstupy ze softwaru FSVM ke dni 17. 3. 2023:

• difuzní sluneční radiace,
• přímá dopadající sluneční radiace na fasádu,
• celková sluneční radiace dopadající na fasádu,
• rovnocenná sluneční teplota na azimutem orientované fasádě,
• teplota exteriéru podle ročního období,
• korigovaná teplota interiéru podle ročního období,
• teplota vnějšího povrchu obkladu fasády,
• přírůstek tepla od celkové radiace na fasádě,
• teplota vzduchu ze vzduchové mezery pro výšku fasády h,
• teplota vzduchu ve vzduchové mezeře pro vybranou výšku na fasádě h_x,
• tepelný tok z budovy do vzduchové mezery bez uzavírání větracích otvorů,
• tepelný tok z budovy do vzduchové mezery s chytrým řízením větrání,
• tepelný tok z budovy do exteriéru bez větrané mezery (virtuální ETICS).

Obr. 4. Příklad výstupu – graf simulovaných hodnot tepelných zisků fasády od sluneční radiace v průběhu roku – software FSVM

Obr. 5. Příklad výstupu – graf simulovaných tepelných toků z interiéru do větrané mezery – bližší pohled na měsíc červen, detail spojitosti simulované křivky je reprezentován hodnotami v hodinových krocích – software FSVM

Tabulka tepelných toků procházejících z interiéru do exteriéru, respektive do větrané mezery (Tab. 3) nám poskytne detailnější pohled na simulované tepelné zisky a ztráty v průběhu roku na zadané fasádě. Použité jednotky jsou zde tepelné toky fasády v kW přepočítané pro časové období jednoho měsíce. Proto se zde uvádí jednotka kWh/měsíc, respektive x kWh za 720 h, kde x představuje výstupní hodnotu ze softwaru. Procentuální snížení tepelných toků chytrou fasádou vyjadřuje relativní úsporu energií respektive jejich změnu charakteru působení z negativních hodnot (tepelné ztráty) na pozitivní hodnoty (tepelné zisky) při použití systému klapek chytré fasády místo standardní větrané fasády s přirozeným a neomezeným pohybem vzduchu.

Tabulka 3. Simulované celkové tepelné toky pro uvažovaný typ fasády

Simulované teploty ze softwaru FSVM v následujících grafech (Obr. 6., Obr. 7.) poukazují na fakt, že použití větrané fasády je efektivnější v letních měsících (Obr. 7.) a kontaktní zateplení naopak vykazuje lepší efektivitu v zimních měsících (Obr. 6.). Podrobnější data jsou uvedena v [7]. Podle dat z grafu (Obr. 6.) lze dokonce říct, že použitím chytré fasády dosáhneme v poledne simulovaného dne 15. ledna dokonce malé tepelné zisky ze strany fasády po relativně krátký časový okamžik. V letním měsíci se ve výpočetní simulaci neuvažovalo uzavření klapek, a tedy vliv chytré fasády na změnu tepelných toků oproti klasické větrané fasádě.

Obr. 6. Simulace tepelných toků různými druhy fasád v průběhu referenčního zimního dne 15. ledna

Obr. 7. Simulace tepelných toků různými druhy fasád v průběhu referenčního letního dne 15. června

Diskuse

Program FSVM se nám prokázal jako efektivní výpočetní nástroj. Vznikl na základě našeho výzkumu, který se zabývá řešením základních otázek spojených s vývojem chytré fasády. Výsledky simulací se do značné míry odpovídají skutečnému stavu, který jsme měřili a zkoumali na fasádě popsané v kapitole 2 této publikace. Program je však stále ve vývoji v oblasti univerzálnosti a přesnosti, aby se mohly jeho výpočty použít na co nejvíc druhů klasických větraných fasád s různými parametry. Výstupy ze softwaru jsou velmi bohaté a mohou posloužit jako základní kámen při návrhu a realizaci možné budoucí chytré fasády.

Nejvýznamnějšími proměnnými činiteli, kteří budou mít vliv na tepelně technické parametry fasády, budou teplota venkovního vzduchu a intenzita sluneční radiace. Naším cílem ve výzkumu a vývoji (mimo zdokonalování softwaru FSVM) dále bude schopnost reagovat na tyto proměnlivé vlivy působící na fasádu v reálném čase a řízení proudění vzduchu jinými způsoby než jen zavření a otevření uzavíracích klapek na vstupu a výstupu vzduchu do vzduchové mezery. Motivem pro vývoj chytré fasády je zajisté úspora energií, která by se v ideálním případě měla rovnat nulové spotřebě. S našimi schopnostmi bychom se tomuto ideálu chtěli aspoň přiblížit.

Podle odborné publikace [6] se numerickým výpočtům v oblasti větraných fasád odborníci věnují už přes 40 let. Spolu s rozšířením působnosti a možností výpočetních technologií vznikla spousta přístupů, kterým právě autoři této publikace věnovali svou pozornost a experimentálně ověřili různé metody, případně jejich výhody, nevýhody a jejich omezení [6].

Součástí výzkumu chytré fasády je také zkoumání modulů s ventilátory pro řízení proudění vzduchu, vliv modulů s takzvanou „zelenou fasádou“ a působení rostlin na vlastnosti větrané fasády nebo moduly s regulací proudění vzduchu spolu s fotovoltaickými články.

Závěr

Na základě prezentovaných výsledků lze konstatovat, že proudění vzduchu v mezeře větrané fasády má významný vliv na tepelnou bilanci této konstrukce, a tím i významný přínos pro snižování tepelných ztrát a zisků. Regulace průtoku vzduchu ve větrané mezeře fasády tedy přispívá ke snižování energetické náročnosti daného objektu. S ohledem na aktuální ceny energií na vytápění a chlazení budov je „chytrá fasáda“ možností, jak optimalizovat energetickou náročnost v zimním i letním období.

Reference

1. Ing. Erik Šagát Větrání obvodových plášťů budov. Brno, 2016. 130 s., 2 s. příl. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství. Vedoucí práce doc. Ing. Libor Matějka, CSc., Ph.D., MBA
2. SALAJKA, Radek. Energetické využití fasády. Brno, 2023. 103 s., 23 s. příloh. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce Aleš Rubina.
3. RUBINA, Aleš; UHER, Pavel; UHER, Václav; RUBINOVÁ, Olga; BEČKOVSKÝ, David; HRON, Libor; ILČÍK, Jiří. Výpočet tepelně technických parametrů fasády s větranou mezerou (R 5.2).  PROFESIS: Profesní informační systém ČKAIT [online]. Praha: ČKAIT, [cit. 2023-03-17]. Dostupné z: https://profesis.ckait.cz/r-5-2/
4. ČSN EN ISO 10211 Tepelné mosty ve stavebních konstrukcích – Tepelné toky a povrchové teploty – Podrobné výpočty. ÚNMZ, Praha, 2020, 60 s.
5. ČSN 73 0540-2:2011 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. ÚNMZ, Praha, 2011, 56 s.
6. DE GRACIA, Alvaro, Albert CASTELL, Lidia NAVARRO, Eduard ORÓ a Luisa F. CABEZA. Numerical modelling of ventilated facades: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews [online]. 2013, 22, 539-549 [cit. 2023-03-17]. ISSN 13640321. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.029
7. Rubina, A.; Uher, P.; Vrána, J.; Novotný, M.; Nespěšný, O.; Skřek, D.; Šuhajdová, E.; Vystrčil, J.; Formánek, M. Heat Flow through a Facede with a Controlled Ventilated Gap. Buildings 2023, 13, 817. https://doi.org/10.3390/buildings13030817