Možnosti zmiernenia tepelnej nepohody v budovách s ľahkým obalovým plášťom na báze dreva

Klimatické zmeny sú v súčasnosti vyvolané neefektívnym využívaním väčšiny energetických zdrojov a surovín. Zvýšenie efektivity využívania obnoviteľných zdrojov energie prináša so sebou zníženie energetickej náročnosti budov, s čím je úzko spojená efektívnejšia tepelná ochrana budov. Ako sa však následne darí zabezpečovať vnútornú tepelnú pohodu, zvlášť v letných horúčavách?

Tepelná pohoda obyvateľov a požadované hodnoty parametrov vnútornej mikroklímy v pasívnych a v takmer nulových objektoch závisia od konštrukčných princípov, resp. od pasívnych spôsobov ochrany samotnej stavby, orientácie objektu a od technického ­zariadenia budov (chladiace systémy a i.). Tepelná rovnováha je základným predpokladom tepelnej pohody. Je založená na princípe, že okolie by malo odobrať toľko tepla, koľko vyprodukuje samotný organizmus [1].

Predpokladá sa, že bez chladiacich systémov už nebude možné dosahovať normové hodnoty kvality vnútorného prostredia v letnom období tak, aby sa zachoval pasívny, prípadne takmer nulový štandard budovy. Princípy pasívneho spôsobu ochrany založené na architektonickej alebo konštrukčnej báze však možno využiť na zníženie chladiaceho výkonu chladiacich systémov a na zachovanie požadovaného energetického štandardu budovy s nízkou energetickou náročnosťou. Na základe tohto princípu hovoríme o pasívnom spôsobe ochrany proti prehriatiu budovy.

Hlavným cieľom výskumu bolo preukázať vplyv optimalizačných nástrojov na ľahkom obalovom plášti budovy na báze dreva v energeticky efektívnych stavbách, realizovaných pasívnymi spôsobmi ochrany (nočné chladenie, vnútorné a vonkajšie tieniace prvky, materiálová konfigurácia obvodových stien, priečok a zvýšenie akumulačnej schopnosti konštrukcií, reflexné zasklenia, solárna absorpcia strešnej krytiny) proti letnému prehrievaniu tak, aby sa zabezpečilo výrazné zníženie vnútornej teploty vzduchu a kritérium stanovené podľa STN 73 0540-2 [2] pre bytové budovy na požadovanú hodnotu najvyššej dennej teploty vzduchu 26 °C. Na základe kvantifikácie vplyvu jednotlivých optimalizačných riešení, prípadne ich kombinácie, možno stanoviť mieru zníženia vnútornej teploty vzduchu a navrhnúť ekonomicky efektívne riešenia na zvýšenie kvality vnútorného prostredia pre bežného užívateľa.

Kalibračné merania a výber objektov

Od júna do augusta 2015 sa realizovali kalibračné merania v reálnych drevených stavbách, išlo o pasívny dom v bratislavskej Devínskej Novej Vsi a nízkoenergetický objekt v rakúskom Kittsee. Pozornosť sa zamerala predovšetkým na meranie a zaznamenávanie údajov, ktoré reprezentujú správanie sa vnútornej mikroklímy a vonkajšieho prostredia (vnútorná teplota vzduchu, relatívna vlhkosť vnútorného a vonkajšieho vzduchu, vonkajšia teplota vzduchu, intenzita slnečného žiarenia, tlak vonkajšieho vzduchu, rýchlosť a smer vetra). Keďže pasívny objekt spĺňal podmienky kvality vnútorného prostredia, na počítačové simulácie a optimalizačný proces sa vybral nízkoenergetický objekt v Kittsee, ktorý počas extrémne teplého letného počasia vykazoval známky nadmernej tepelnej nepohody.

Meracie zariadenia

Meteostanica Vantage Pro 2 bola umiestnená v exteriéri oproti južnej fasáde domu a slúžila na snímanie vonkajších klimatických podmienok v lokalite. Jednotlivé snímače zariadenia KlimaLogg Pro TFA boli umiestnené v každej miestnosti referenčného objektu v Kittsee s cieľom zaznamenať podmienky vnútornej mikroklímy predovšetkým z dôvodu hodnotenia vzostupu vnútornej teploty vzduchu.

Obr. 1 Meteostanica Davis Vantage Pro 2	Obr. 2 Meracie zariadenie KlimaLogg Pro TFA 30.3039.IT

Simulačné modely a simulácie

V rámci počítačových simulácií prostredníctvom softvéru IES-VE sa posudzovali vždy dve kritické miestnosti (severná a južná), aby sa mohli zachytiť dva extrémy vnútorného prostredia budovy počas maximálnej tepelnej záťaže v letnom období. V modeli Kittsee išlo o severnú miestnosť s označením 1.06 a južnú miestnosť s označením 1.02/1.03.

Ako základný súbor meteorologických údajov slúžili záznamy z databáz IWEC2 (International Weather for Energy Calculations) vo formáte epw., ktoré boli sumarizované v roku 2011 a zahŕňajú obdobie rokov 1983 až 2008. Databáza IWEC2 obsahuje 3 012 lokalít z celého sveta. Súbory počasia boli vyvinuté prostredníctvom projektu ASHRAE Research Project RP-1477 s názvom Development of 3012 Typical Year Weather Files for International Locations spoločnosťou White Box Technologies, Morgana, California; hlavným výskumníkom bol Y. Joe Huang [3]. Za klimatickú oblasť pre simulačný model sa vybrala meteorologická stanica najbližšia k modelu Kittsee, a to stanica Bratislava-letisko.

Pomocou nástroja CCWorldWeatherGen na báze platformy Excel sa následne vygenerovali priebehy predpokladaného správania sa počasia vo vybraných lokalitách v nasledujúcich desaťročiach, a to s 30-ročnými odstupmi na roky 2020, 2050 a 2080. Za referenčný rok sa stanovil rok 2050.

Obr. 3 Nízkoenergetická budova v Kittsee, simulačný 3D model budovy s názvom Kittsee (softvér IES-VE)

Výsledky a diskusia

V rámci výsledkov a diskusie sa budeme venovať simulačnému modelu Kittsee, ktorý je lokalizovaný v okolí Bratislavy, čiže v oblasti Slovenska najviac zaťaženej slnečným žiarením v letnom období. Kvantifikácia vplyvu odlišných typov optimalizačných riešení vznikla porovnávaním poklesu početnosti hodín, keď vnútorná teplota vzduchu klesla pod 26 °C. Hodnotenie tepelnej pohody vnútorného prostredia je vyjadrené faktormi PMV indexu (Predicted Mean Vote) a PPD indexu (Predicted Percentage of Dissatisfied) [5].

Zabezpečenie tepelnej pohody počas letného obdobia vyjadrujú hodnoty PMV indexu na úrovni –0,5 až 0,5 a PPD indexu do 20 % nespokojných obyvateľov. V rámci počítačových simulácií sa vybralo za referenčné obdobie, teda to s najvyššou tepelnou záťažou, obdobie od 8. do 18. augusta roku 2050. Hodnotenie jednotlivých optimalizačných riešení sa tak aplikovalo na 10-dňový časový interval.

Na základe výsledkov počítačových simulácií nedošlo pri aplikácii jednotlivých optimalizačných riešení k takému zlepšeniu vnútorného prostredia, aby sa splnili kritériá maximálneho nárastu vnútornej teploty vzduchu a početnosti hodín s T_i > 26 °C, PMV a PPD indexu. Požadovanú kvalitu vnútorného prostredia v klimatickom pásme v okolí meteorologickej stanice Bratislava-letisko tak nie je možné zabezpečiť len aplikáciou samostatných optimalizačných riešení. Preto sme sa rozhodli vytvoriť simulačný model, v ktorom sa aplikovali najefektívnejšie optimalizačné riešenia z každej kategórie, a to:

• nočné chladenie (výmena vzduchu n = 5 h^-1),
• vonkajšie žalúzie (sklon lamiel 45°),
• zvýšená reflexivita zasklenia (g = 0,41),
• svetlá (biela) farba strešnej krytiny (Solar absorptivity, SA = 0,3),
• konfigurácia obvodovej steny z CLT panelu a minerálnej Izolácie (MI) – CLT panel: hrúbka 240 mm, MI: hrúbka 160 mm,
• konfigurácia priečky z liateho betónu (hrúbka 150 mm).

Na základe aplikácie najefektívnejších optimalizačných riešení sme dokázali znížiť početnosť hodín s vnútornou teplotou vzduchu vyššou ako 26 °C oproti východiskovému stavu o 89,05 %. Aj keď je táto úroveň zníženia značná, nepostačovala na zabezpečenie požadovanej tepelnej pohody podľa parametrov PMV a PPD indexov. PMV index dosahoval po aplikácii najefektívnejších optimalizačných riešení hodnotu 0,8 v oboch kritických miestnostiach (tepelnú pohodu vyjadruje rozsah od -0,5 až do 0,5) a PPD index bol v kritickej miestnosti 1.02;1.03 na úrovni 23,2 % nespokojných a v kritickej miestnosti 1.06 na úrovni 22,2 % nespokojných obyvateľov, pričom zabezpečenú pohodu vyjadruje max. percento nespokojných na úrovni 20 %. (tab. 1).

Analýza výsledkov

V rámci optimalizačného procesu na modeli Kittsee sme aplikovali jednotlivo viaceré optimalizačné riešenia a sledovali ich vplyv na priebeh vnútornej teploty vzduchu (T_i) v kritických miestnostiach 1.02;1.03 a 1.06 počas referenčného obdobia od 8. augusta 2050 do 18. augusta 2050 (10 dní), keď exteriérová teplota vzduchu (T_e) prekročila úroveň 30 °C, čo sa považuje za tropický deň.

Časový interval 10 dní sa stanovil na základe početnosti hodín, keď T_e prekročila hranicu tropického dňa. Výber kritických miestností 1.02;1.03 a 1.06 sa realizoval na základe kritéria orientácie objektu, aby sa zabezpečila možnosť porovnať vplyv jednotlivých optimalizačných riešení na miestnosti umiestnené dispozične v južnej až juhozápadnej časti a v severnej až severovýchodnej časti domu. Zlepšenie kvality vnútorného prostredia kritických miestností a celého objektu sa sledovalo porovnávaním poklesu priebehov T_i, početnosti hodín, keď T_i > 26 °C, PMV indexom a PPD indexom.

Obr. 4 Pokles vnútornej teploty vzduchu Ti východiskového stavu prostredia vplyvom súčasnej aplikácie najefektívnejších optimalizačných riešení – model Kittsee, klimatická oblasť Bratislava-letisko

Výsledky sledovania vplyvu jednotlivých optimalizačných riešení pasívnej ochrany budovy proti letnému prehrievaniu ukázali, že aplikáciou optimalizačných riešení jednotlivo nie je možné zabezpečiť požadovanú kvalitu vnútorného prostredia z hľadiska tepelnej pohody, ich kombináciou však dokážeme výrazne znížiť priebeh vnútornej teploty vzduchu (obr. 4). Z priebehov teploty vzduchu na obr. 4 je evidentné, že kombináciou najefektívnejších optimalizačných riešení pasívnej ochrany možno znížiť úroveň tepelnej záťaže vnútorného prostredia, čo vyjadruje pokles vnútornej teploty vzduchu v kritických miestnostiach modelu 1.02;1.03 a 1.06.

Na obr. 4 možno vidieť aj ďalší faktor, ktorý vo výraznej miere vplýva na úroveň kvality vnútorného prostredia počas letného obdobia, a to je dĺžka periódy, resp. obdobia, počas ktorého je budova vystavená pôsobeniu extrémnych podmienok letného obdobia. Po rapídnom poklese teploty T_e zo 17. 8. na 18. 8. sme nezaznamenali podobnú odozvu budovy, nedošlo k okamžitému a rapídnemu poklesu priebehu teploty T_i. Predpokladáme však, že ak by model Kittsee nebol vystavený pôsobeniu extrémnych teplotných podmienok 10 dní, ale približne dvoj- až trojdňovým vlnám horúceho počasia, predmetné aplikované optimalizačné riešenia by vyvolali požadovaný efekt zníženia vnútornej teploty vzduchu, pričom by sa dosiahla požadovaná úroveň tepelnej pohody.

Vyhodnotenie výsledkov

Z obr. 5 je zjavné, že kombináciou všetkých najefektívnejších optimalizačných riešení pasívnej tepelnej ochrany dokážeme v rámci modelu Kittsee znížiť priemernú vnútornú teplotu vzduchu o 4 až 5 °C. Tento údaj však vyjadruje spolupôsobenie daných optimalizačných riešení. Ak sa pozrieme na optimalizačné riešenia jednotlivo, podľa očakávaní došlo k najväčšiemu poklesu priemernej vnútornej teploty vzduchu (T_ip) prostredníctvom najefektívnejšieho optimalizačného riešenia, ktorým bolo nočné chladenie. Pokles priemernej teploty vzduchu počas referenčného obdobia 10 dní vplyvom nočného chladenia predstavoval v oboch kritických miestnostiach hodnoty okolo 3,0 °C. Výraznejší bol vplyv na kritickú miestnosť 1.02;1.03, ktorá sa nachádza v juhozápadnej časti domu a je najviac vystavená pôsobeniu slnečného žiarenia.

Druhým najvýraznejším vplyvom, prostredníctvom ktorého sme dokázali znížiť T_ip v kritických miestnostiach 1.02;1.03 a 1.06, sú exteriérové žalúzie. Znova si môžeme všimnúť, že výraznejší pokles T_ip nastal predovšetkým v kritickej miestnosti 1.02;1.03, a to o 2,6 °C, v kritickej miestnosti 1.06 nastal pokles o 1,8 °C. Rozdiel je spôsobený predovšetkým orientáciou modelu, resp. jednotlivých kritických miestností, keďže kritická miestnosť 1.06 je orientovaná na severovýchod. Samotná orientácia budovy teda takisto významne vplýva na tepelnú záťaž vnútorného prostredia. Vo všeobecnosti je to najmä pri umiestňovaní veľkých zasklených plôch v južných a juhozápadných miestnostiach z dôvodu maximálnych solárnych tepelných ziskov v zimnom období.

Obr. 5 Pokles priemernej vnútornej teploty vzduchu Tip vplyvom spoločnej a jednotlivej aplikácie najefektívnejších optimalizačných riešení – model Kittsee, klimatická oblasť Bratislava-letisko

S vplyvom orientácie budovy úzko súvisí aj odrazivosť solárneho žiarenia zasklením okenných konštrukcií, keďže tie možno pokladať za slabší článok v obalovom plášti budov, ktorým do priestoru prechádza výrazné množstvo slnečného žiarenia. Ako vidieť na obr. 5, odrazivosť zasklenia je tretím najvýznamnejším faktorom v rámci modelu Kittsee, ktorým možno redukovať tepelnú záťaž vnútorného prostredia od solárneho žiarenia. Pokles T_ip v kritickej miestnosti 1.02;1.03 bol vplyvom odrazivosti zasklenia na úrovni 1,1 °C, v miestnosti 1.06 bol pokles o 0,6 °C.

Ďalším významným faktorom, resp. optimalizačným riešením, ktorým možno do značenej miery znížiť tepelnú záťaž vnútorného prostredia, je solárna absorpcia strešnej krytiny v závislosti od farebného odtieňa. Ako je zrejmé z výsledkov, tento faktor je významný predovšetkým pri extrémnych tepelných zaťaženiach, pri umiestnení obytného priestoru priamo pod strechou a najmä v teplej klimatickej oblasti, ktorou bolo v našom prípade okolie Bratislavy. V prípade modelu Kittsee bol v tejto súvislosti pokles T_ip na úrovni približne 1,0 °C.

Medzi posledné optimalizačné riešenia, ktoré v porovnaní s ostatnými nedokázali znížiť priebeh T_ip v takej významnej miere, patrí zmena materiálov konfigurácie a zvýšenie akumulačnej schopnosti obvodových stien a priečok. Ako vidieť na obr. 5, pokles T_ip  je odlišný v prípade kritickej miestnosti 1.02;1.03 (1,0 °C) a miestnosti 1.06 (0,5 °C), čo je spôsobené množstvom slnečného žiarenia dopadajúceho na fasádu budovy v závislosti od jej orientácie. V rámci počítačových simulácií a kalibrácie modelu sme dospeli k záveru, že tepelnotechnické charakteristiky, ako je teplotný útlm f a fázový posun φ, nie sú veličinami, ktoré by výrazne vplývali na priebeh vnútornej teploty vzduchu a na jej pokles.

Naopak, dôležitým faktorom, na ktorý je nevyhnutné prihliadať v rámci návrhu konštrukčných skladieb obvodových stien, je ich akumulačná schopnosť a umiestnenie akumulačného materiálu čo najbližšie k interiéru. Túto schopnosť vyjadruje parameter tepelnej kapacity s označením C_m a jednotkou kJ/(m² . K). Táto vlastnosť materiálu, resp. konštrukčnej skladby obvodových stien alebo priečok, vplýva na priebeh vnútornej teploty vzduchu. Ani aplikácia najefektívnejších materiálov na konfigurácie priečok (konfigurácia E, betón) s najvyššou akumulačnou schopnosťou a tepelnou kapacitou však nedokázala výrazne zlepšiť kvalitu vnútorného prostredia (0,3 – 0,4 °C).

Záver

V rámci výskumu bolo naším cieľom preukázať prostredníctvom počítačových simulácií vplyv optimalizačných riešení na obalovom plášti na báze dreva v energeticky efektívnych stavbách, realizovaných pasívnymi spôsobmi ochrany budovy (nočné chladenie, tieniace prvky, materiálová konfigurácia obvodových stien a priečok, zvýšenie akumulačnej schopnosti konštrukcií, reflexné zasklenia, solárna absorpcia strešnej krytiny), proti letnému prehrievaniu.

Sledovalo sa, či zabezpečia výrazné zníženie vnútornej teploty vzduchu a dosiahne sa tak tepelná pohoda. Zlepšenie kvality vnútorného prostredia sa hodnotilo prostredníctvom vybraných parametrov, a to na základe poklesu početnosti hodín s teplotou vyššou ako 26 °C, PMV a PPD indexu (podľa ISO 7730 (ISO 1984)) a na základe kritéria hodnoty najvyššej dennej teploty pre bytové druhy budovy s hranicou 26 °C (podľa STN 73 0540–2).

Výsledkami výskumu sme preukázali významný vplyv aplikácie vybraných typov optimalizačných riešení pasívnej tepelnej ochrany, z ktorých sú najvýznamnejšie nočné chladenie a aplikácia vonkajších žalúzií. V teplej klíme v okolí Bratislavy sa však v rámci optimalizačného procesu ani tak nepodarilo dosiahnuť požadované parametre vnútornej tepelnej pohody počas letného obdobia, takže na dosiahnutie kvalitnej vnútornej mikroklímy bude nevyhnutná aplikácia aktívneho chladenia.

prof. Ing. Jozef Štefko, CSc., Ing. Matúš Kollár, PhD.
Autori pôsobia na Technickej univerzite vo Zvolene.

Obrázky: autori

Výskum bol podporený grantom VEGA 1/02013/15 a VEGA 1/0538/14.

Literatúra

1. KOLLÁR, M.: Vnútorné prostredie v nízkoenergetických budovách na báze dreva. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2014, 100 s.
2. STN 73 0540–2, 2012: Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky.
3. ASHRAE. Frequently Asked Questions – About the Data. [online]. Copyright © 2008 White Box Technologies, Inc., All Rights Reserved. [cit. 23. 11. 2017]. Dostupné na internete: <http://ashrae.whiteboxtechnologies.com/faq>.
4. KOLLÁR, M.: Optimalizácia obalového plášťa pre budovy na báze dreva v letnom období: Dizertačná práca. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene. Drevárska fakulta. 2017. 125 s.
5. ISO 7730 (ISO 1984) Ergonómia tepelného prostredia – Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestneho tepelného pohodlia.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 2/2018.