Chlazení sáláním proti noční obloze - teoretické zhodnocení v podmínkách ČR
Jedním z efektivních způsobů, vedoucích ke snížení energetické náročnosti chladicích systémů, je aplikování principů pasivních chladicích technik. Budovy mohou být chlazeny pasivními systémy za použití několika přirozených způsobů odvodu tepla.
1. ÚVOD
V dnešní době je stále více kladen důraz na udržitelnou výstavbu, jedná se o nové komplexnější pojetí způsobu návrhu budovy. Takový návrh musí zahrnovat soubor kritérií, která lze rozdělit do tří oblastí:
- kvalita životního prostředí
- ekonomická efektivita a omezení
- sociální a kulturní souvislosti
Dosavadní přístup se snaží o maximální ekonomický efekt bez výraznějšího ohledu k dopadům na životní prostředí. Oproti tomu udržitelná výstavba upřednostňuje význam omezování negativních environmentálních vlivů staveb při současné vyváženosti ostatních kritérií. Mezi hlavní úkoly udržitelné výstavby patří jak zvyšování energetické účinnosti staveb (výrobní i provozní úspora energie a využívání obnovitelných zdrojů energie), tak snižování množství emisí (snižování emisí CO2, HCFC, atd.). Z hlediska oboru technických zařízení budov je tedy žádoucí uplatňování nových principů při návrhu systémů zajišťujících kvalitu vnitřního prostředí. Takových systémů, které respektují environmentální kritéria, tj. snižují:
- potenciál globálního oteplování
- potenciál poškozování ozónové vrstvy
- vyčerpávání zdrojů energie
- spotřebu kvalitní vody
- atd.
A současně s environmentálními kritérii respektují i sociální kritéria, tj. zajištění technické kvality vnitřního prostředí. V současné době můžeme pozorovat masivní nástup chladicích systémů budov a to nejen v komerčních stavbách, ale stále více i v bytové výstavbě. S ohledem na udržitelnou výstavbu je vhodné technickými řešeními co nejvíce snížit nutnou spotřebu těchto systémů.
1.1 Pasivní chladicí systémy
Jedním z efektivních způsobů, vedoucích ke snížení energetické náročnosti chladicích systémů, je aplikování principů pasivních chladicích technik. Budovy mohou být chlazeny pasivními systémy za použití několika přirozených způsobů odvodu tepla:
- Okolní vzduch
- Horní atmosféra
- Voda
- Základová půda
Každý z těchto zdrojů chladu může být využit různými způsoby, vyúsťujícími v různé systémy. Použitelnost daného chladicího systému závisí na specifikovaných podmínkách vnitřního prostředí. Mění se s typem budovy a místním klimatem. Některé chladicí systémy mohou být aplikovány jen na některé typy budov nebo jen ve specifických klimatických podmínkách. Klimatické podmínky, při kterých může být daný chladicí systém použitý, nejsou v různých zemích stejné.
2. SÁLÁNÍ PROTI OBLOZE
Ze všech dostupných přírodních energií použitelných v systémech pasivního chlazení se asi největší pozornosti dostalo dlouhovlnnému záření. Hlavně v horkých a suchých regionech se může jednat o efektivní chladicí techniku. Tato technika je nazývána jako "Night Sky Cooling". Ve vlhkých klimatech je tato metoda do jisté míry omezená právě vzdušnou vlhkostí, která absorbuje teplo vyzařované zemí a částečně ho "vrací" zpět. I přes to je tento chladicí systém využitelný pro podpůrné noční chlazení budov.
2.1 Princip
Každý běžný povrch, který "vidí" oblohu vyzařuje teplo dlouhovlnným zářením proti obloze a může být tedy považován za sálavou plochu. Tepelná ztráta sáláním probíhá ve dne i v noci, ale pouze během noci vychází celková bilance sálavé plochy záporná. Během denních hodin sálavá plocha pohlcuje sluneční záření, které působí proti chladícímu efektu dlouhovlnného vyzařování. Během dne je tedy sálavou plochou produkován tepelný zisk.
Obr. 1 Analýza tepelného působení absorbéru přes den a v noci
3. ODVOD TEPLA POMOCÍ SOLÁRNÍCH ABSORBÉRŮ
Tento příspěvek se zabývá systémem se střešními absorbéry, které během noci odvádí teplo naakumulované v železobetonové konstrukci stropu budovy. K transportu tepla z konstrukce do absorbéru slouží vodní okruh. Schéma řešení viz obrázek 1.
Obr. 2 Střešní absorbér v kombinaci s temperováním betonového jádra
3.1 Počítačová simulace tepelného výkonu absorbéru
Celkový využitelný tepelný výkon, zahrnující tepelnou ztrátu sáláním proti noční obloze i tepelnou ztrátu konvekcí do okolního vzduchu, je stanoven pomocí počítačové simulace. Simulace byla provedena softwarem CalA (Calculation Area).
3.1.1 Stanovení okrajových podmínek výpočtu
Pro dosažení přijatelně přesných výsledků, bylo nutné stanovit vhodné okrajové podmínky výpočtu. Klimatické okrajové podmínky byly uvažovány pouze teplotou venkovního vzduchu naměřenou v Brně v roce 2006. Jako výpočtový měsíc byl zvolen červenec, výpočtová teplota okolního vzduchu byla stanovena jako průměrná teplota v červencových dnech a to v době od 22:00 - 05:00, tj. přibližně v době bez slunečního svitu. Takto získaná noční průměrná teplota má hodnotu to = 17,8 °C. Za stejné období byla z klimatických dat přepočtena a aplikována vlhkost vzduchu. V softwaru CalA byl pak tepelný tok sáláním z povrchu absorbéru modelován vnitřním zdrojem tepla v jeho povrchové vrstvě. Výpočet sálavého účinku absorbéru je uveden v následující kapitole.
3.1.2 Sdílení tepla absorbéru sáláním proti obloze
Tepelný tok reprezentující vyzářenou energii proti noční obloze byl stanoven na základě Stefan-Boltzmannova zákona. Provedené výpočty simulují stav za bezmračné oblohy, kdy je odvod tepla z absorbéru sáláním největší. Dle vztahu (1) bylo stanoveno vyzářené teplo povrchem absorbéru, dle vzorce (2) byla spočtena emisivita oblohy, která je závislá na vzdušné vlhkosti (ve výpočtu reprezentované parciálním tlakem vodní páry). Dále byl dle vztahu (3) stanoven tepelný tok sáláním bezmračné oblohy. Na základě výše uvedených vztahů byl stanoven čistý tepelný tok vyzářený absorbérem dle rovnice (4).
3.1.3 Stanovení povrchové teploty zářiče Tp
V simulaci je uvažována střední teplota vody, která cirkuluje mezi vnitřními konstrukcemi budovy a střešním absorbérem 22 °C. Průměrná povrchová teplota absorbéru Tp je pak vypočtená softwarem CalA pro dané okrajové podmínky. Skrze tuto teplotu je pak svázán vyzářený tepelný tok absorbéru - viz vztah (1). Tato povrchová teplota musela být stanovena iterativně, až byly splněny všechny podmínky tepelné rovnováhy.
4. POSUZOVANÝ ABSORBÉR
Absorbér je složen z jednotlivých panelů, jeho geometrie je patrná na obrázku 2. Tyto panely se skládají z ocelové trubky a profilovaného hliníkového plechu. Jednotlivé panely pak mohou být vzájemně propojovány buď sériově, nebo paralelně. Počítá se s natřením vrchní části absorbéru tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší emisivity povrchu (výpočet uvažuje emisivitu Ep = 0,95).
Obr. 2 Střešní absorbér
5. VÝSLEDKY SIMULACE
Na základě výše uvedených postupů a vztahů, byla provedena simulace softwarem CalA, jejímž výsledkem je rozložení teplot v řezu panelem viz obrázek 3. Při teplotě protékajícího média 22 °C činí průměrná povrchová teplota absorbéru 21,08 °C a je možné absorbérem odvést 137,81 W/m2.
Obr. 3 Geometrický model a rozložení teplot v absorbéru
Uvedené výsledky ovšem reprezentují jen jeden provozní stav v ideálních podmínkách bezmračné oblohy. Jak již bylo naznačeno, oblačnost a vysoká vlhkost vzduchu budou do značné míry ovlivňovat výkon tohoto absorbéru. Pro podrobnější hodnocení použitelnosti tohoto řešení v klimatických podmínkách ČR je potřeba provést podrobnější simulace, využívající podrobnějších klimatických dat a uvažující vliv oblačnosti. Výše uvedené výpočty také uvažují jen s vedením tepla v řezu v místě s nejvyšší teplotou teplonosného média, pro podrobnější rozbor bude potřeba uvažovat s postupným chladnutím média po délce absorbéru a tím i k poklesu odváděného tepla celým systémem absorbérů. Zde bude záležet na vhodném vzájemném zapojení jednotlivých panelů (paralelní × sériové). Nicméně i zde dosažené výsledky naznačují, že by se mohlo jednat o efektivní podpůrnou chladicí techniku i v klimatických podmínkách ČR.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl s podporou vnitřního grantu Vysokého učení technického v Brně "Softwarová hodnocení rizik energeticky úsporné výstavby" č. FAST-S-10-84/359 z roku 2010.
Literatura
[1] CHYSKÝ, Jaroslav, HEMZAL, Karel, a kolektiv. Technický průvodce: větrání a klimatizace. 3. přeprac. vyd. Brno: Bolit - B press, 1993. 490 s.
[2] ŠIKULA, O., Manuál k softwaru CalA, , ISBN 978-80-7399-879-0, Tribun EU s.r.o., Brno, 2009
[3] ŠÍMA, J., ODVOD TEPELNÉ ZÁTĚŽE SÁLÁNÍM PROTI NOČNÍ OBLOZE, příspěvek na konferenci Budovy a prostředí 2010, ISBN 978-80-214-4155-2, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Brno, 2010
One of the most effective ways to reduce energy consumption of buildings cooling, is to apply radiation against the night sky to remove the heat - one of principles of passive cooling techniques.
