Vnútorné prostredie administratívnej budovy

V súčasnosti je trendom stavať administratívne budovy s celozasklenými fasádami, ktoré sú značne ovplyvnené extrémnymi solárnymi ziskami cez sklenené konštrukcie v letnom období a sálavým chladom od okien v zimnom období. To všetko môže spôsobiť lokálnu tepelnú nepohodu.

 Použitím progresívnej techniky prostredia budov však možno zabezpečiť vnútorné prostredie, ktoré bude minimalizovať tieto vplyvy a zabezpečovať optimálnu vnútornú klímu. Tá by mala priaznivo pôsobiť na zamestnancov, a tým zvyšovať ich pracovnú výkonnosť a zároveň by mala byť energeticky efektívna. Jedným zo systémov, ktoré umožňujú splniť tieto požiadavky je vysokoteplotné chladenie/ nízkoteplotné vykurovanie (VTCH/NTV). Patrí medzi veľkoplošné sálavé systémy, pri ktorých je podiel sálavej a konvekčnej zložky až 80 % ku 20 %. To umožňuje prirodzenejšie rozloženie teplôt vo vnútornom priestore, čo má vplyv na pocit komfortu, ktorý sa dostaví už pri výrazne vyššej (chladenie)/nižšej (vykurovanie) teplote teplonosnej látky. Jednou z hlavných výhod systému je, že nedochádza k zvýšenej rýchlosti prúdenia vzduchu v dôsledku intenzívnejšieho prúdenia zo vzduchotechniky, ani k nebezpečenstvu vzniku lokálnej tepelnej nepohody či prievanu. Článok sa zaoberá stanovením tepelného komfortu vo vybranej miestnosti administratívnej budovy s aplikovaným systémom VTCH/NTV prostredníctvom experimentálnych meraní a validáciou simulačného riešenia v programe Ansys Fluent. Zároveň sa zistené výsledky porovnávajú s požiadavkami noriem STN EN 15 251 a CR 1752.

Administratívna budova so systémom VTCH/NTV
Budova, ktorá je v prevádzke od roku 2009, má dva samostatné bloky: blok A má päť poschodí, blok B má osem poschodí. V budove je aplikovaný systém kapilárnych rohoží – chladiacich sietí – s priemerom 5 mm, ktoré sú umiestnené pod omietkou stropnej konštrukcie (typ F podľa STN EN 15 377) (obr. 1). Kapilárne potrubia s priemerom 5 mm sú umiestnené vo vzdialenosti 30 mm od spodnej strany dosky nosnej plochy priamo na betóne. Potrubia sú usporiadané v moduloch, potrubný koniec je pripevnený na kovovú mriežku a vybavený tvarovkami.

Obr. 1  Systém s kapilárnymi rohožami 1 – vrstvy podlahy, 2 – vyrovnávacia vrstva, 3 – akustická izolácia, 4 – nosná vrstva, 5 – rúrky, 6 – vrstva omietky	Obr. 2  Prístroj Data logger S3120 na zaznamenávane teploty a relatívnej vlhkosti vzduchu

Experimentálne posúdenie vnútorného prostredia
Vybraná miestnosť, v ktorej sa uskutočnili merania, sa nachádza v bloku A na typickom nadzemnom podlaží, je severne orientovaná (na elimináciu solárnych ziskov počas simulá­cie) a nachádza sa v nej jedno pracovné mies­to s počítačom, monitorom a tlačiarňou.

Na merania sa použili prístroje Data logger so záznamníkom teploty vzduchu (obr. 2) rozmiestnené v obytnej zóne človeka – na pracovnom mieste (miesto A), na stojacom mieste (miesto B) – a v strede miestnosti (miesto 2). Z dôvodu zadávania okrajových podmienok sa merali aj teploty na prívode do kapilárnych rohoží v danej miestnosti, v dvojitej podlahe a v medzipriestore dvojitej zasklenej fasády (miesto 1). Rozloženie nábytku v miestnosti je zobrazené na obr. 3a, rozmiestnenie prístrojov vidieť na obr. 3b. Všetko sa zadávalo rovnako aj do numerickej simulácie. Merania sa realizovali v dňoch 21. až 28. júla 2009 na zachytenie letného obdobia a v dňoch 25. novembra až 9. decembra 2011 na zachytenie zimného obdobia. Na budove sa nachádza vlastná meteostanica, z ktorej sa pri simuláciách brali exteriérové teploty, ďalej sa brala do úvahy teplota v systéme nízkoteplotného vykurovania a teplota vzduchotechniky, ktorá slúži na prívod čerstvého vzduchu do miestnosti.

Počas meraní sa robili aj termovízne snímky (obr. 4), na ktorých sú znázornené povrchové teploty.
Výsledky experimentálneho merania a CFD simulácie sa potom zhrnuli pre letné aj zimné obdobie.

Obr. 4  Termovízne snímky chladiaceho/vykurovacieho stropu s povrchovými teplotami a) letné obdobie, b) zimné obdobie

Výsledky pre letné obdobie (VTCH)
Pri experimentálnych meraniach a prostredníctvom simulačného programu sa vypočítali teploty vnútorného vzduchu v miestnosti podľa obr. 5. Do úvahy bolo treba vziať aj presnosť meracieho prístroja Data logger, ktorá je ±0,4 °C. Exteriérová teplota sa pohybovala v meranom období okolo 30 až 32 °C. Teploty vzduchu zodpovedajú I. kategórii nor­my STN EN 15 251 na chladenie v kanceláriách s ľuďmi so sedavou aktivitou (1.2 met) a cha­rakteristickým letným oblečením 0.5 clo.

Obr. 5  Teplota vnútorného vzduchu v letnom období – chladenie
a) priestorové výsledky, b) z výsledkov simulácie vyplýva, že pri určených meraných/simulovaných bodoch dochádza k významnej zhode

Teplota vnútorného vzduchu v miestnosti v mieste sediacej osoby sa pohybovala okolo 23,5 až 24 °C, čo zodpovedá meraniam v sku­točnej kancelárii, ako aj požiadavkám normy. Čo sa týka obytnej oblasti človeka, v časti kancelárie na pracovnom mieste bola teplota vnútorného vzduchu 23,9 °C, z čoho sa dá dedukovať, že systém chladenia v spolupráci s konštrukciou budovy dobre eliminuje veľké zaťaženie od solárnych ziskov z exteriéru (obr. 6).

Obr. 6  Teplota vnútorného vzduchu z programu Ansys Fluent v charakteristických rezoch miestnosti

Obr. 7  Stredná radiačná teplota z programu Ansys Fluent v charakteristických rezoch miestnosti

Obr. 8  Rýchlosť prúdenia vzduchu z programu Ansys Fluent v mieste sediacej osoby (y) a prívodnej výustky (x)

Jedným z najdôležitejších parametrov pri sálavom spôsobe chladenia je stredná radiačná teplota. Sálavý strop redukuje nepríjemné teplé sálanie od dvojitej prevetrávanej zasklenej fasády, v ktorej sa priemerná teplota počas meraní pohybovala okolo 28 °C, a zabezpečuje tepelnú pohodu vo vnútornom prostredí. V miestnosti sa v mieste sediacej osoby pohybovala stredná radiačná teplota okolo 23,2 až 24,2 °C, pričom pri fasáde bola teplota mierne vyššia (obr. 7). Rýchlosti prúdenia vzduchu v miestnosti v obytnej zóne človeka neprekročili hodnotu 0,12 m/s, čo zodpovedá požiadavkám kategórie A tech­nického predpisu CEN CR 1752 (obr. 8).

Nízka rýchlosť prúdenia vzduchu je jednou z najväčších výhod systému nízkoteplotného vykurovania/vysokoteplotného chladenia, keďže vzduchotechnika slúži pri takomto vykurovaní/chladení len na prívod čerstvého vzduchu do miestnosti. Vzduch sa privádza do miestnosti z prívodnej výustky pri strope, pohybuje sa popri sálavom strope smerom k fasáde, kde sa ochladzuje, padá do obytnej oblasti človeka a distribuuje sa po celej miestnosti (obr. 9).

Privádzaná teplota bola počas meraní 26 °C (rovnaká teplota sa zadala aj do programu) a množstvo privádzaného vzduchu bolo 124,39 m3/hod. Rýchlosti prúdenia prívodného vzduchu boli veľmi malé.

Obr. 9  Vektory a dráha prúdenia prívodného vzduchu v miestnosti

Obr. 10  Teplota vnútorného vzduchu v zimnom období – vykurovanie
a) priestorové výsledky, b) z výsledkov simulácie vyplýva, že pri určených meraných/simulovaných bodoch dochádza k významnej zhode

Výsledky pre zimné obdobie (NTV)
Na obr. 10 sú zobrazené teploty vnútorného vzduchu v miestnosti namerané pri experimentálnych meraniach a vypočítané pri CFD simulácii. Teploty sú podobné. Exteriérová teplota sa pohybovala v meranom období na úrovni okolo 0 až 0,4 °C. Teploty vzduchu zodpovedajú prvej a druhej kategórii normy STN EN 15 251 na vykurovanie v kancelá­riách s ľuďmi so sedavou aktivitou 1.2 met.

Teplota vnútorného vzduchu v miestnosti v mieste sediacej osoby bola okolo 23 až 23,5 °C, čo zodpovedá meraniam v skutočnej kancelárii, ako aj požiadavkám normy (obr. 11).

Stredná radiačná teplota bola v zimnom období v mieste sediacej osoby na úrovni okolo 22 až 24,0 °C, pričom pri fasáde bola teplota nižšia. Sálavý strop redukuje chladné sálanie od dvojitej zasklenej fasády, v ktorej sa priemerná teplota pohybovala iba na úrovni 4 °C, a zabezpečuje tepelnú pohodu vo vnútornom prostredí (obr. 12).

Obr. 11  Teplota vnútorného vzduchu z programu Ansys Fluent v charakteristických rezoch miestnosti

Obr. 12  Stredná radiačná teplota z programu Ansys Fluent v charakteristických rezoch miestnosti

Rýchlosti prúdenia vzduchu v miestnosti v obytnej zóne človeka sa pohybovali do 0,15 m/s, čo zodpovedá požiadavkám kate­górie A technického predpisu CEN CR 1752. Vzduchotechnika slúži pri takomto vykurovaní/chladení len na prívod čerstvého vzduchu do miestnosti. Vzduch sa privádza do miestnosti z prívodnej výustky pri strope, pohybuje sa hore pri sálavom strope, kde sa ešte viac ohrieva a padá dole ochladzovaný od vonkajšej fasády, čím tiež zmierňuje jej nepriaznivý vplyv (obr. 14).

Privádzaná teplota bola počas meraní 24 °C (rovnaká sa zadávala aj do programu) a množstvo privádzaného vzduchu bolo 124,39 m3/hod (obr. 13).

Obr. 13  Rýchlosť prúdenia vzduchu z programu Ansys Fluent v mieste sediacej osoby (y) a prívodnej výustky (x)

Obr. 14  Vektory a dráha prúdenia prívodného vzduchu v miestnosti

Záver
Systémy vysokoteplotného chladenia/nízkoteplotného vykurovania predstavujú dobrý spôsob, ako zabezpečiť priaznivú tepelnú pohodu v administratívnych budovách s celoročnou prevádzkou. Teplota vzduchu aj rýchlosť prúdenia vzduchu zodpovedajú najvyšším požiadavkám európskych noriem. V letnom aj v zimnom období je nepriaznivý horúci/chladný vplyv zasklenej fasády výborne eliminovaný sálavou zložkou vysokoteplotného chladenia/nízkoteplotného vykurovania, ako aj správnym návrhom smeru, objemu a rýchlosti prúdu privádzaného vzduchu. Ako zdroj chladu (v letnom období)/tepla (v zimnom období) je v budove tepelné čerpadlo, čím sa stáva budova aj environmentálne efektívna. Ďalšou výhodou systému je energetická efektívnosť. Pri porovnaní s výsledkami CFD simulácie sa parametre tepelnej pohody veľmi približujú nameraným parametrom. Preto možno konštatovať, že numerická simulácia sa dá použiť už v projekčnej fáze stavby na predikciu riešenia sálavého spôsobu vykurovania/chladenia, polohy sálavej plochy a umiestnenia prívodných a odvodných výustiek vzduchotechniky. Následne vo fáze prevádzky budovy poslúži na posúdenie a optimalizáciu prevádzky a regulácie systému, v prípade problémov aj na detekciu, názornú prezentáciu nerovnomerností parametrov tepelnej mikroklímy, a tak pomôže prispieť k ich následnému riešeniu.

Obrázky: autorka
Príspevok vznikol v rámci projektu VEGA 1/1052/11.

Literatúra
1.    Babiak, J. – Olesen, B. – Petráš, D.: Low Temperature Heating and High Temperature Cooling. Rehva Guidebook No. 7 Forssan, Rehva, 2007.
2.    Šikula, O. – Hirš, J.: Analysis of the Behavior of the Cooling Ceiling in an Office Room with a View of Thermal Comfort. In: Proceedings The 23rd IIR International Congress of Refrigeration. Prague: International Institute of Refrigeration IIR/ IIF, 2011.
3.    Ďurišová E. – Petráš, D.: Evaluation of Indoor Air in Office Building in Bratislava – in Summer and Also in Winter Period. Indoor Air 2011. Austin, Texas, USA, 5. – 10. 6. 2011.
4.    Ďurišová, E. – Petráš, D.: Evaluation of Indoor Environment in Office Building with Low Temperature Heating and High Temperature Cooling System. The REHVA European HVAC Journal, ročník 48.
5.    Ďurišová, E.: Prevádzka systému nízkoteplotného vykurovania/vysokoteplotného chladenia z hľadiska tepelnej pohody. In: TOPENÁŘSTVÍ INSTALACE, 1/2012.
6.    STN EN 15 251 Vstupné údaje o vnútornom prostredí budov na navrhovanie a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov – Kvalita vzduchu, tepelný stav prostredia, osvetlenie a akustika.
7.    EN ISO 7726 Ergonómia tepelného prostredia. Prístroje na meranie fyzikálnych veličín (ISO 7726: 1998).

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.