Vliv činitele oslunění na tepelnou stabilitu místnosti a jeho určení
Tepelnou stabilitu místností ovlivňuje lokální charakteristika území, geometrie budovy, orientace ke světovým stranám, akumulační schopnost konstrukcí, způsob a intenzita větrání, ale především velikost a vlastnosti transparentních ploch a s nimi spojené jejich stínění. Nejefektivnějším způsobem, jak tedy zabránit přehřívání místnosti, je omezit zisky přes průsvitné konstrukce, a to zastíněním. Zastínění předsazenými konstrukcemi je dáno tzv. součinitelem oslunění fs. Tento součinitel se během dne s pohybem slunce také mění a jeho určení pro výpočty je tedy složitější. Článek se zabývá srovnáním dvou odlišných postupů výpočtu, jejich porovnáním mezi sebou a konečným srovnáním s reálně naměřenými hodnotami.
1 Úvod
Dnešní trend energeticky úsporné výstavby, který je reprezentován nízkoenergetickými a energeticky pasivními domy, klade důraz na maximální využití solárních zisků. To vede k užití velkých prosklených ploch, které jsou pokud možno orientovány k jihu. Toto ovšem s sebou nese riziko možnosti přehřívání vnitřního vzduchu zejména v letním období. Tepelnou stabilitu ovlivňuje lokální charakteristika území, geometrie budovy, orientace ke světovým stranám, akumulační schopnost konstrukcí, větrání, ale především velikost a vlastnosti transparentních ploch a s nimi spojené jejich stínění a clonění.
Dle ČSN EN ISO 13791 [1] a ČSN EN ISO 13792 [2] se provádí výpočet nejvyšší teploty vzduchu v místnosti v letním období pro 21. srpen. Dle ČSN 73 0540-2 [3] je pak požadována nejvyšší denní teplota vzduchu pro nevýrobní objekty 27 °C. Určuje se pro tzv. kritickou místnost, která je definována jako místnost s největší plochou přímo osluněných výplní otvorů orientovaných na Z, JZ, J, JV a V. Zatímco přes 1 m2 stěny projde cca 20 W tepla (podle typu konstrukce), přes okenní výplně to může být 200 až 400 W. Jedním z nejefektivnějších způsobů, jak zabránit přehřívání místnosti zejména v letním období, je omezení tepelných zisků transparentními obvodovými konstrukcemi, a to jejich zastíněním, případně zacloněním. Míra zastínění předsazenými stavebními konstrukcemi je dána tzv. součinitelem oslunění fs, který představuje poměr osluněné plochy a celkové plochy transparentní konstrukce. Tento součinitel se pochopitelně během roku a dne s pohybem slunce také mění a jeho určení pro výpočty je tedy složitější.
2 Popis modelového objektu
Výpočty byly provedeny na reálné stavbě pasivního domu v Rapoticích, kde je kontinuálně prováděno měření a jsou tak dostupná data pro ověření výsledků počítačové simulace. Jedná se o samostatně stojící rodinný dům bez podsklepení se zelenou extenzivní plochou střechou, který je obydlen od října 2011.
Nosná konstrukce stavby sestává z vnitřního akumulačního vápenopískového jádra a 15 nosných dřevěných sloupů přiznaných v interiéru. Obvodová stěna je z nenosných lisovaných balíků slámy tl. 500 mm z vnitřní i z vnější strany opatřených hliněnou omítku. Plochá střecha je zateplena lisovanými balíky ze slámy tl. 800 mm a střed je doplněn foukanou celulózou. Stavba je postavena na železobetonové základové desce tl. 250 mm, která je založena na granulátu z pěnového skla tl. 500 mm. V objektu je využíváno mechanického větrání s rekuperací.
Obr. 1 Vyznačení kritické místnosti
Jako kritický z hlediska tepelné stability v letním období byl identifikován společný prostor kuchyně, jídelny a obývacího pokoje (vyznačeno na obr. 1). Místnost má velké prosklené plochy orientované od jihu až na západ, které jsou stíněny předsazenou střechou.
Jak bylo výše zmíněno, využívá objekt, jehož obálka je tvořena lehkými stavebními materiály, pro akumulaci citelného tepla převážně vnitřní zdivo z vápenopískového zdiva. Akumulaci tepla by však v daném případě bylo možné zvýšit např. instalací prvků využívajících akumulaci tepla při změnách skupenství. Tyto prvky výrazně nepřitěžující stavební konstrukce, avšak efektivita akumulace tepla je výrazně vyšší. Látky, které jsou schopny akumulovat teplo při teplotách vzduchu vyskytujících se v obytných místnostech během roku, je vždy nutné uzavřít, protože v nich dochází k fázové změně pevná látka – kapalina a naopak. Na evropském a světovém trhu jsou k dostání panely, polštářky, trubice nebo mikropeletky s akumulačním médiem na bázi hydrátů solí nebo parafínů. U popisovaného objektu by připadala v úvahu instalace mikropelet rozptýlených např. v sádrové nebo hliněné omítce, která by byla nanesena na vnitřní povrchy stavebních konstrukcí.
3 Výpočet
Pro výpočty byl použit program SIMULACE 2010 [7], který je určen pro hodnocení dynamické odezvy místnosti v čase na tepelnou zátěž v letním období podle ČSN EN ISO 13792 [2], přičemž používá okrajové podmínky podle ČSN 73 0540:3 [4]. Jeho výsledky pak lze použít k ověření požadavků ČSN 73 0540:2 [3].
3.1 Hodnoty vstupující do výpočtu
- výpočtový den: 21. srpen;
- objem vzduchu v místnosti: 140,77 m3;
- intenzita větrání: 0,8 h−1 (jednotně celý den, dle skutečného užívání);
- vnější teplota: dle tab. H8 ČSN 730540-3[4];
- intenzita slunečního záření: dle tab. H8 ČSN 730540-3 [4];
- součinitel fsa : 0,1 (malé množství nábytku);
- součinitel přestupu tepla sáláním: 5,5 W/(m2K);
- součinitel přestupu tepla prouděním: 2,5 W/(m2K);
- neprůsvitné konstrukce:
podlaha střecha obvodová stěna vnitřní stěna 1 vnitřní stěna 2 plocha [m2] 53,12 53,12 14,5 19,40 24,86 tepelná kapacita [kJ/(m2‧K)] 29,435 45,332 79,845 161,31 207,826 - průsvitné konstrukce:
A1a A2 A1b B plocha [m2] 2,76 2,668 2,76 2,88 počet [ks] 1 3 1 1 orientace západ jihozápad jihozápad jih celková propustnost slunečního záření g 0,5 činitel prostupu přímého slunečního záření τE 0,48
3.2 Vliv činitele oslunění fs
Činitel oslunění fs udává de facto velikost zastínění transparentních konstrukcí. Je dán jako poměr plochy osluněné části a celkové plochy konstrukce. Jeho vliv na tepelnou pohodu místnosti v přídě stínění stavební konstrukce je minimální, to ovšem neplatí v případě výplní otvorů, kdy naopak velmi záleží na jejich zastínění. To dokazuje následující graf na obr. 2, který znázorňuje změnu vnitřní teploty místnosti v situaci, kdy jsou jednotlivé obvodové konstrukce trvale plně zastíněné a naopak kdy jsou plně osluněné během celého dne.
Obr.2 Vliv fs na teplotu vnitřního vzduchu
Vysvětlivky:
- (1) teplota IN_simulace_stěna fs = 1 [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána v situaci, kdy byly stěny plně osluněné během celého dne.
- (2) teplota IN_simulace_stěna fs = 0 [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána v situaci, kdy byly stěny plně zastíněné během celého dne.
- (3) teplota IN_simulace_okna fs = 1 [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána v situaci, kdy byla okna plně osluněné během celého dne.
- (4) teplota IN_simulace_okna fs = 0 [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána v situaci, kdy byla okna plně zastíněná během celého dne.
3.3 Postup výpočtu konstantní hodnoty činitele oslunění fs podle polohy Slunce
Obr. 3 Zadání činitele oslunění fs
V již zmiňovaném programu SIMULACE 2010 [7] je možné zadání jedné konstantní hodnoty činitele oslunění (a), nebo zadání stínicích prvků pomocným výpočtem (b), viz obr. 3.
V pomocném výpočtu je ovšem možné zadávání pouze stínicích prvků, které jsou bezprostředně nad konstrukcí, což v případě oken ve většině případů neplatí. Nad okny bývá ještě nadezdívka a až potom markýza, takže tento výpočet neodpovídá skutečnosti. Proto se tato kapitola zaměřuje na první možnost.
V Tab. 1 byly podle velikosti oken, parametrů přesahu střechy a výšky slunce uváděné Dr. J. Cihelkou [7], viz obr. 4, jednoduše pomocí goniometrických funkcí a vzorce (1) určeny hodnoty činitele oslunění fs pro každou hodinu dne. Tento faktor nabývá hodnot 0 až 1 (0 = plně osluněná plocha; 1 = plně zastíněná plocha) a je za předpokladu, že paprsky dopadaly na prosklené plochy v kolmém půdorysném směru, a mění se pouze výška Slunce během dne. Dále byly žlutě zvýrazněny ty hodinové hodnoty, které jsou vzhledem k pohybu slunce od východu k západu, dané azimutem a (úhlem od jihu), reálné a slunce v tu dobu svítí na danou plochu.
Jelikož se v programu SIMULACE 2010 [7] zadává pouze jediná konstantní hodnota průměrného součinitele oslunění fs pro celý výpočtový den a ne pro každou hodinu, tak musíme ze zvýrazněných hodnot (se žlutým podbarvením) získat jediné číslo, a to průměrem. Podělíme sumu všech zvýrazněných hodnot počtem hodnot, které mají během dne nenulové hodnoty intenzity slunečního záření (v našem případě 6. až 18. hodina = 13 hodnot). Takto získáme jediné číslo, pro každé z oken, které už můžeme použít ve zmiňovaném výpočtovém softwaru.
(1)
kde je
- As
- – plocha osluněné části [m2]
- A
- – celková plocha [m2].
Obr. 4 Poloha slunce
Superpozici zemské rotace a oběžného pohybu kolem Slunce vnímá pozorovatel na Zemi jako zdánlivý pohyb Slunce po obloze. Jeho polohu lze definovat pomocí dvou základních slunečních souřadnic [8]:
- výška Slunce nad horizontem h – úhel, který svírá sluneční paprsek s rovinou horizontu;
- azimut a – úhel sevřený půdorysem slunečního paprsku a jižním směrem
Tab. 1 Výpočet konstantní hodnoty průměrného součinitele oslunění fs
3.4 Postup zadání fiktivní markýzy
Obr. 5 Vytvoření fiktivní markýzy
Druhým způsobem, jak se dostat k výsledku, je využití dříve zmíněného postupu (b) s využitím pomocného výpočtu stínicích prvků, viz obr. 2, ovšem s uvažováním fiktivní markýzy. Ta by byla přímo nad okenním otvorem. Délka fiktivní markýzy je ohraničená spojnicí středu okna a přesahu střechy (obr. 5).
4 Výsledky a diskuze
Obr. 6 Rozdíl vypočítaných teplot s užitím postupů (a) a (b)
Po vypočítání teplot vnitřního vzduchu kritické místnosti dynamickou simulací softwaru SIMULACE 2010 [7] jsou v grafu na obr. 6 vyznačeny rozdíly mezi postupy (a) a (b).
Z výše uvedeného porovnání je patrné, že rozdíl mezi teplotami vypočtenými podle různých metod výpočtu fs je v průměru 0,85 °C. To je zanedbatelná nepřesnost, když víme, že normový metodický postup z ČSN EN ISO 13792 [2], který je použit v této počítačové simulaci, je orientován značně na stranu bezpečnou. Model výpočtu je prezentován jako nástroj pro rychlá a bezpečná posouzení a jedná se tak o zjednodušený simulační postup, čímž už je jeho míra přesnosti omezena.
Bylo by zajímavé provedení simulace v nějakých přesnějších softwarech, jako například TRNSYS, nebo B-Sim atd., které by se více blížily reálnému stavu. Tyto přesnější dynamické simulace jsou však podstatně náročnější na sestavení výpočtového modelu.
V grafu na obr. 7 je ještě s touto počítačovou simulací porovnaná teplota vnitřního vzduchu, která byla reálně změřená na stavbě. Rozdíl mezi teplotami vzduchu v interiéru spočítanými v simulaci a reálně změřenou vnitřní teplotou činí 3 až 7 °C. Dále jsou v tomto grafu vyznačeny vnější teploty, se kterými počítá program SIMULACE, a reálně změřené.
Jak simulovaný, tak reálný stav je proveden bez jakéhokoliv dalšího zastínění nebo clonění, které by bylo reprezentováno například vnějšími roletami, či žaluzií. S tímto opatřením ovšem majitel do budoucna počítá.
Obr.7 Srovnání naměřených teplot a teplot ze simulací pro 21. srpna
Vysvětlivky:
- (1) teplota IN_simulace postup (a) [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána simulací podle postupu a, což je metoda využívající manuálního výpočtu faktoru oslunění fs pro každou hodinu pomocí polohy slunce.
- (2) teplota IN_simulace postup (b) [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla vypočítána simulací podle postupu b, což je metoda využívající fiktivní markýzy a pomocného výpočtu.
- (3) teplota EX_simulace [°C] – teplota vnějšího vzduchu, kterou používá simulace k výpočtu (dle tab. H8 ČSN 730540-3 [4])
- (4) teplota IN_realita [°C] – teplota vnitřního vzduchu, která byla reálně změřená v objektu
- (5) teplota EX_realita [°C] – teplota vnějšího vzduchu, kterou byla reálně změřená u objektu
5 Závěr
Z výsledků výpočtů vyplývá, že rozdíl mezi teplotami vypočtenými podle dvou rozdílných přístupů ke stanovení činitele oslunění je průměrně 0,85 °C. Jedná se tedy o velmi malý rozdíl. Protože jsou výpočty v podobných simulačních programech často velmi orientační, je vhodné používat způsoby, které jsou časově efektivní a přitom relativně bezpečné. Toto tvrzení je dokládáno na porovnání s reálně naměřenými daty na obr. 7, kde je demonstrováno použití přesnosti výpočtu s reálnou situací. Na tomto příkladu se projevuje velmi častý jev, kdy jsou normové postupy implementované v počítačových simulacích poměrně nepřesné. V tomto případě rozdíl mezi teplotami vzduchu v interiéru spočítanými a reálně změřenými činí 3 až 7 °C.
Z výsledků lze vyvodit, že postup (b) s vytvořením fiktivní markýzy je mnohem jednodušší, časově efektivnější a současně s dostatečnou přesností výsledku, a tudíž je vhodnější ho používat. Význam určení činitele oslunění je zásadní pro výpočty tepelné stability místností v letním období. Tepelně akumulační schopnosti obalových konstrukcí místností mají své limity a zejména způsob jejich aktivace (odvod naakumulovaného tepla v nočních hodinách) ovlivňuje jejich funkčnost. Stínění a clonění tedy hraje roli zejména v situacích vysokých tepelných zisků z exteriéru, které by nebyly efektivně vnitřní tepelně akumulační konstrukce pohltit. Je tedy žádoucí při návrhu stavebních objektů vhodně kombinovat pasivního využití tepelných zisků s možností jejich akumulace do stavebních konstrukcí a zároveň počítat s nutností zajištění ochrany vnitřních prostor proti nadměrným tepelným ziskům v letním období.
Poděkování
Příspěvek vznikl s pomocí grantového projektu GAČR P104/12/1838 „Využití akumulace latentního tepla materiály s fázovou změnou pro snížení spotřeby primární energie v budovách“.
Literatura
- [1] ČSN EN ISO 13791:2012 Tepelné chování budov – Výpočet vnitřních teplot v místnosti v letním období bez strojního chlazení – Základní kritéria pro variační postupy. Praha: Vydavatelství ÚNMZ. 2012. 114 s.
- [2] ČSN EN ISO 13792:2012 Tepelné chování budov – Výpočet vnitřních teplot v místnosti v letním období bez strojního chlazení – Zjednodušené metody. Praha: Vydavatelství ÚNMZ. 2012. 52 s.
- [3] ČSN 73 0540-2:2011 + Z1:2012 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. Praha: Vydavatelství ÚNMZ. 2011. 56 s.
- [4] ČSN 73 0540-3:2005 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin. Praha: Vydavatelství ÚNMZ. 2005. 96 s.
- [5] ČSN 73 0540-4:2005 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody. Praha: Vydavatelství ÚNMZ. 2005. 60 s.
- [6] CIHELKA, Jaromír. Solární tepelná technika. 1. vyd. Praha: T. Malina, 1994, 203 s. ISBN 80-900-7595-9.
- [7] SVOBODA, Z.: výpočtový program SIMULACE 2010.
- [8] ČUPROVÁ, Danuše. Stínicí technika. 1. vyd. Brno: ERA, 2006, 126 s. ISBN 80-736-6046-6.
Thermal stability of rooms affects the local characteristic of the area, building geometry, orientation to the cardinals, the ability of heat storage, mean and intensity of ventilation, and also the size and properties of transparent parts of facade along with their shading. The most effective way to prevent the overheating of the room is to reduce heat gains through transparent structures by shading. Shading by overhanging structures is expressed by sunlit factor fs. This factor changes during the day, with the movement of the sun, and thus the determination for calculations is difficult. This paper deals with a comparison of two different methods of calculation, their comparison and the final comparison with the measured data.
