Počítačová simulace přirozeně větraných lodžií bytového objektu

Cílem počítačové simulace bylo prověřit tepelný stav prostředí v zasklených lodžiích. Větrání lodžií je přirozené neupraveným venkovním vzduchem. Průtok větracího vzduchu závisí na účinku větru a rozdílu hustot vzduchu. V článku jsou presentovány výsledky a analýzy simulačních výpočtů v letním období.

ÚVOD

V nově budovaném obytném objektu "Mariánská" jsou součástí každého bytu lodžie. Z důvodu umístění v blízkosti přilehlé komunikace bylo nutné chránit byty před nepříznivými účinky nadměrného hluku. Všechny lodžie byly proto vybaveny protihlukovým zasklením.

Pro studii byl použit software ESP-r, který představuje dynamické simulační prostředí pro analýzu energetických a hmotnostních toků v budovách a zařízeních pro větrání, vytápění a klimatizaci. ESP-r provádí výpočet metodou zónové energetické simulace. Pro simulační výpočet byl použit referenční klimatický rok zpracovaný pro Prahu. Tyto údaje lze považovat v letním období za reprezentativní pro ČR.

POPIS MODELU

Modelovaná budova je vícepodlažní bytový objekt (9 nadzemních podlaží a 2 podzemní podlaží), který je součástí souboru staveb "Mariánská". Budovy budou postaveny v Praze 12, U Kamýku. Součástí bytů v nadzemních podlažích budovy (2. - 9.np) jsou lodžie. Model řeší energetickou bilanci 5 typických lodžií se zaměřením na letní extrémy. Budovu tvoří nosný železobetonový skelet, obvodové stěny jsou vyzdívané z tvárnic Porotherm. Vlastní lodžie jsou opatřeny protihlukovým zasklením. Budova je samostatná a není stíněna dalšími objekty. Půdorys objektu je zřejmý z obr. 1.

MODELOVANÉ ZÓNY

Vzhledem k tomu, že hlavní důraz byl kladen na energetickou bilanci v zasklených lodžiích, byl model sestaven do výchozího tvaru tak, aby byly sledovány lodžie s různou orientací - zvoleno 5 typických lodžií. Model budovy byl vzhledem k technickým možnostem použitého software zjednodušen. Vlastní tvar podlaží se plně neshoduje s tvarem budovy, ale rozměry všech zkoumaných lodžií zůstávají zachovány.

Obr. 1 - Půdorys typického podlaží budovy se zakreslenou orientací
Obr. 1 - Půdorys typického podlaží budovy se zakreslenou orientací
(po kliknutí se obrázek zvětší)

ZASKLENÍ

Všechny lodžie jsou vybaveny protihlukovým zasklením. Ve studii jsou použity celkem 3 typy zasklení (viz tab. 2). Tato zasklení byla zvolena jako základní a ze známých tepelných propustností při kolmém dopadu sluneční radiace byl stanoven průběh tepelné propustnosti v závislosti na úhlu dopadu. Průběh vychází z obecné závislosti platné pro homogenní průhledné materiály.

Všechny ostatní prosklené plochy (mezi lodžií a interiérem) jsou tvořeny izolačním dvojsklem s maximálním součinitelem prostupu sluneční energie.

Zóna Orientace Plocha (m2) Objem (m3)
Zóna J jih 10,29 27,78
Zóna JZ jihozápad 15,42 41,63
Zóna Z západ 10,29 27,78
Zóna S sever 10,29 27,78
Zóna SV severovýchod 8,46 22,84
Indoor vnitřní prostory 298,72 806,54

Tab. 1 - Seznam zón a jejich základní charakteristiky

Varianta Charakteristika LT SF,g SK
S1 Čiré sklo s max. propustností 91 90 1
S2 Sklo s mírně sníženou propustností světla i tepla 83 70 0,8
S3 Sklo se sníženou propustností tepla 73 57 0,66

Tab. 2 - Použitá zasklení

VĚTRÁNÍ LODŽIÍ

Větrání lodžií je přirozené neupraveným venkovním vzduchem. Každá lodžie má dva větrací otvory vzniklé mezi obvodovou zdí a protihlukovým zasklením (obr. 2).

Modelové řešení bylo provedeno pro 4 varianty větrání (tab. 3):

1) Pro varianty V1, V2 a V3 byla v jednom z obou větracích otvorů lodžie zvolena konstantní rychlost vstupujícího venkovního vzduchu wo (přívodní otvor). Zjednodušený model analyzuje případy, kdy ve větracím otvoru se účinkem větru vytvoří minimální rychlost wo . Řešení bylo provedeno pro zvolené konstantní rychlosti proudění v přívodních otvorech lodžií wo (0,05; 0,1; 0,2 m/s - tab. 3). Zvolené konstantní rychlosti jsou velmi nízké, pohybují se v oblasti kdy je proudění běžnými přístroji již obtížně měřitelné a blíží se bezvětří.

2) Modelové řešení varianty V4 představuje simulaci proudění způsobeného účinkem větru a vlivem vztlakových sil. Model uvažuje tlakové součinitele větru v závislosti na směru větru a orientaci otvoru (rozsah -0,6 až 0,6). Rychlost a směr větru vychází z dat referenčního roku pro Prahu a jsou využity tlakové součinitele v závislosti na směru větru a orientaci otvoru.

Pro účinek přirozeného vztlaku je uvažováno s obousměrným prouděním v přívodním i odvodním otvoru (v případě vyšší teploty v lodžii je vzduch přiváděn spodní částí otvoru a odváděn částí horní). Výsledná intenzita větrání a rychlost v otvorech je dána kombinací účinku větru a vztlaku.

VARIANTY ŘEŠENÍ

Počítačová simulace byla provedena celkem pro 12 variant, jedná se o kombinaci 4 variant proudění a 3 variant zasklení. Pro varianty proudění V1, V2 aV3 byla zvolena konstantní rychlost v přívodním otvoru 0,05 m/s, 0,1 m/s a 0,2 m/s. Předpokládá se příčné proudění lodžií kdy jeden otvor slouží pro přívod a druhý pro odvod vzduchu. Ve variantě proudění 4 je proudění způsobeno účinky větru a vlivem vztlakových sil.


Obr. 2 - Půdorysné schéma lodžie s naznačeným větráním

Tři varianty zasklení byly popsány výše (tab. 1). Veškeré simulace byly provedeny pro celé letní období od 1.5. do 30.9. typického roku s hodinovým krokem.

Varianta wo [m/s]
V1 0,05
V2 0,1
V3 0,2
V4 simulováno proudění způsobené účinky větru a vlivem vztlakových sil

Tab. 3 - Seznam řešených variant


Obr. 3 - Schéma modelu v programu ESP-r

VÝSLEDKY

Na obr. 4 a 5 jsou znázorněny typické výsledky simulačního výpočtu pro variantu zasklení S2 a variantu větrání V3.

Na obr. 4 je průběh teploty vzduchu v lodžiích a ve venkovním prostředí během extrémního letního období. Na obr. 5 je pak vidět průběh teploty vzduchu v lodžiích tL a teploty venkovního vzduchu te .

Souhrn výsledků jednotlivých variant je uveden graficky na obr. 6. Jako základní parametry pro vyhodnocení výsledků byly zvoleny:

  1. Rozdíl maximální teploty vzduchu v lodžii oproti maximální venkovní teplotě. Tato hodnota je vyhodnocena jako rozdíl maximální teploty vzduchu v lodžii za simulované období oproti maximální teploty venkovního vzduchu za celé simulované období (obr. 6 -sloupec a).
  2. Průměrný rozdíl teploty vzduchu v lodžii a venkovní teploty, který je vyhodnocen jako průměr rozdílů teploty vzduchu v lodžii a teploty venkovního vzduchu pro každou hodinu (obr. 6 -sloupec b).


Obr. 4 - Průběh teploty vzduchu v lodžiích (varianta S2V3)


Obr. 5 - Průběh rozdílu teploty vzduchu v lodžiích a ve venkovním prostředí (varianta S2V3)

DISKUSE

Záporné hodnoty které se vyskytují u rozdílu maximálních teplot pro západní a severní lodžie (obr. 6a) lze vysvětlit akumulací budovy. V době maximálních teplot venkovního vzduchu (poledne) má lodžie malé zisky a akumulace stavebních konstrukcí způsobuje nižší teplotu v lodžii, než ve venkovním prostředí a v době vysokých tepelných zisků lodžie (večer) je teplota okolního větracího vzduchu již natolik nízká, že se teplota v lodžii pohybuje stále pod denním extrémem venkovní teploty.

Výrazný vliv průtoku vzduchu je patrný především pro JZ orientovanou lodžii. Při malých průtocích větracího vzduchu je teplotní maximum v lodžii výrazně vyšší nežli maximum v exteriéru. Pro vyšší průtoky je již rozdíl teplot výrazně nižší.

Průměrné rozdíly teplot (obr. 6b) zůstávají ve všech případech kladné, což potvrzuje, že tepelné zisky vedou k ohřevu větracího vzduchu v lodžii.

Překvapující je poměrně malý vliv propustnosti zasklení, který lze vysvětlit podílem slunečního záření, které pokračuje do vnitřního prostředí a částečně i pohltivostí obvodového skla, což je patrné z porovnání výsledků pro jednotlivé varianty zasklení S1, S2 a S3 (obr. 6)

Jak vyplývá z prezentovaných výsledků rozdíly teplot při variantě s reálnou simulací proudění (varianta V4) jsou ještě lepší nežli pro rychlost 0,2 m/s v otvoru.

ZÁVĚR

Z výsledků je patrné, že hlavní vliv na vnitřní teplotu má průtok větracího vzduchu (daný rychlostí ve větracím otvoru). Překvapivě malý je vliv použitého zasklení, což je způsobeno značnou částí sluneční radiace, která pokračuje do vnitřního prostředí bytů. K nejvyššímu nárůstu teplot dochází na lodžii orientované na jihozápad dále pak na rohové lodžii orientované na jih, na ostatních lodžiích je nárůst teplot výrazně nižší.

Vzhledem k požadavku na teploty v lodžiích podobné venkovním by měla průměrná rychlost proudění ve větracím otvoru být minimálně 0,1 m/s. Pro nižší rychlosti jsou průměrné teplotní rozdíly i rozdíly maxim příliš vysoké.

Simulovaná varianta přirozeného větrání vlivem větru a rozdílu teplot (V 4) prokázala, že parametry prostředí se budou velmi blížit venkovním a rychlosti proudění ve větracích otvorech budou většinou vyšší než 0,2 m/s.

Intenzity větrání lodžií budou poměrně značné a kvalita vzduchu na lodžii bude tedy vyhovující pro větrání bytů. Případné nucené podtlakové větrání bytů povede ke zvýšení průtoku vzduchu lodžií a tudíž poklesu teplot vzduchu.

Celkové tepelné bilanci lodžií výrazně pomáhá koncepce pasivního chlazení a akumulace tepla do stavebních konstrukcí, proto je nevhodná jakákoli tepelná izolace betonových konstrukcí lodžií a to především podlah (tep. izolace podlah by na základě výsledků samostatné simulace vedla ke zvýšení teplot v lodžii o cca 3 K). Naopak příznivě by na vnitřní prostředí působilo umístění živé zeleně do prostoru lodžie (nejlépe rostlin vyžadujících značnou zálivku).

I když vliv externího zasklení není tak velký jak bylo původně předpokládáno, doporučujeme použít variantu zasklení 2 (stínící součinitel 0,8, propustnost světla 80 %) alespoň pro jižní a jihozápadní lodžie. Vliv externího zasklení se totiž výrazně zvýší v případě, že bude použito stínících prvků na oknech vedoucích z lodžie do bytu, což nelze vyloučit.

Obr. 6 - Výsledky simulačních výpočtů
Obr. 6 - Výsledky simulačních výpočtů
(po kliknutí se obrázek zvětší)

Pro řešení detailů větracích otvorů je třeba upozornit na poměrně vysoké rychlosti proudění vzduchu, které krátkodobě nastanou v případě náporového větru. Detaily otvorů by tedy měly být přiměřeně robustní a s hladkými hranami.

Celkově lze hodnotit koncepci přirozeného větrání lodžií za vhodnou, zajišťující tepelné prostředí blízké venkovnímu.

PODĚKOVÁNÍ

Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011.

LITERATURA

[1] ESP-r, A Building Energy Simulation Environment, ESRU Manual. Energy System Research Unit, University of Strathclyde, Glasgow 1998

PŘEHLED OZNAČENÍ

g propustnost sluneční energie [%]
LT světelný činitel prostupu tepla [%]
So plocha otvoru [m2]
SF činitel prostupu sluneční energie [%]
SK součinitel stínění [-]
tL teplota vzduchu v lodžii [°C]
tLmax maximální teplota vzduchu v lodžii [°C]
te teplota venkovního vzduchu [°C]
temax maximální teplota venkovního vzduchu [°C]
Δt rozdíl teplot [K]
V průtok větracího vzduchu [m3/h]
wo rychlost proudění v otvoru [m/s]


Autor: Vladimír Zmrhal, Miloš Lain, František Drkal
Organizace: Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze

Zdroj: www.tzb-info.cz