Alternativní (nízkoenergetické) chlazení budov

Důvodem je především rozpor dvou základních požadavků kladených na budovy a jejich systémy v poslední době. Na jedné straně jsou tu rostoucí požadavky na vnitřní prostředí. Pro práci se také stále ve větší míře používá výpočetní techniky a další kancelářské techniky a rostou tepelné zisky z těchto zařízení. To spolu s výraznějšími teplotními extrémy v posledních letech vede k tomu, že klimatizace, respektive chlazení, kancelářských prostor je považována za standard a objevují se i požadavky na chlazení v bytových objektech.

Na druhé straně jsou tu aktivity spojené s ochranou životního, které výrazně omezují používání většiny doposud běžných chladiv vzhledem k jejich přímým účinkům na ozónovou vrstvu nebo na skleníkový efekt. Naprostá většina chladivových systémů používá ke svému pohonu elektrickou energii. Při její výrobě v tepelných elektrárnách vzniká kysličník uhličitý, který výrazně ovlivňuje skleníkový efekt a přispívá ke globálnímu oteplování. Často se používá i pojem trvale udržitelný rozvoj. Trvale udržitelný rozvoj ve stavebnictví a souvisejících profesích znamená hledání takových řešení, která mají nejen minimální spotřeby energie během provozu, ale jsou i co nejjednodušší a i při jejich výrobě je spotřebováno minimum energie a surovin. Toto kritérium však nesplňuje většina pokročilých strojních zařízení, mezi něž patří jak kompresorové chlazení, tak i některé jeho alternativy.

Hledáme tedy takové řešení, které zajistí tepelnou pohodu v budově, a zároveň bude minimálně zatěžovat životní prostředí ať už spotřebou energie, energií vloženou do jeho výstavby a údržby, nebo jinak.

 

Řešením takto vytyčeného problému jsou právě nízkoenergetické systémy chlazení budov, které by měly splňovat oba výše uvedené požadavky.

Pojem, který k nízkoenergetickému chlazení neodmyslitelně patří, je chlazení pasivní, zahrnující především návrh budov s minimálními tepelnými zisky, ale využívání přirozených způsobů odvodu tepelné zátěže systémy.

Mezi nízkoenergetické systémy chlazení patří především:

● noční větrání (přirozené či nucené),

● adiabatické chlazení (přímé, nepřímé nebo s využitím sorpčních výměníků),

● využití zemského polomasivu pomocí zemních výměníků,

● chlazení stavebních desek (vodou nebo vzduchem),

● systémy pro distribuci nízkopotenciálního chladu (sálavé panely, vytěsňovací větrání).

 

Jak tedy systémy nízkoenergetického chlazení používat a jak je navrhovat. Pro většinu odborníků zabývajících se klimatizací budov nejsou výše zmiňované systémy žádnou novinkou. Vždyť noční větrání a adiabatické chlazení se využívalo již před více než tisícem let. Řada projektantů a architektů je i přesvědčena, že se tyto systémy do nových nebo rekonstruovaných budov nehodí a existuje i řada argumentů podporujících tento názor. Neboť chceme-li navrhnout budovu a systém využívající právě tyto již dávno známé velmi staré principy chlazení, tak aby splňovala požadavky kladené na vnitřní prostředí nynějších kanceláří, jsme nuceni používat velmi náročné metody a výpočty. Kromě toho většina nízkoenergetických systémů vyžaduje velmi úzkou spolupráci od první koncepce budovy (architekt) až po závěrečné uvádění do provozu a nastavení regulace, což je ve stávajícím systému práce s projektem a zadáváním zakázky v České republice téměř nemožné.

Návrh většiny nízkoenergetických systémů vyžaduje hlubší znalosti o chování budovy a systému, podrobné analýzy klimatických dat a často i další informace. Předběžné koncepce a návrhy systémů lze provádět na základě doporučení vycházejících z klimatu v dané oblasti, fyzikálních principů systémů nízkoenergetického chlazení a dosavadních zkušeností.

Základním nástrojem pro detailní návrh systémů alternativního chlazení jsou potom počítačové simulace. Ty slouží jak pro návrh a optimalizaci konkrétních budov a systémů, tak pro obecné analýzy.

 

Prvním krokem by u všech nově stavěných i rekonstruovaných budov měly být stavební úpravy vedoucí ke snížení tepelné zátěže. Dům navržený jako nízkoenergetický či pasivní z pohledu spotřeby energie pro vytápění není většinou optimální z pohledu letních extrémů.

Například důkladná tepelná izolace obvodových konstrukcí nehraje z pohledu letních extrémů zdaleka tak výraznou roli. Nejdůležitější je snížení teplených zisků sluneční radiací vhodným stíněním oken a dostatečná tepelná kapacita (setrvačnost) budovy (obr. 1).

Koncepce pasivní či nízkoenergetické budovy s ohledem na chlazení musí vycházet již přímo od architekta, lze ji však uplatnit i při rekonstrukcích stávajících staveb. Pod pojmem pasivní budova či pasivní chlazení se rozumí uplatňování takových architektonických a urbanistických řešení, která výrazně snižují tepelné zisky v budově a přispívají k tepelné pohodě.

 

Z obr. 3 je patrné, že v letních měsících je úhel výšky slunce nad obzorem většinou větší než 30 ° a v zimě menší než 40 °. Tomu odpovídá poměr délky slunolamu k výšce okna 1,2 až 1,7 pro jižní orientaci stěny.

Výrazné snížení tepelné zátěže lze dosáhnout i instalací venkovních žaluzií (snížení na 15 %), meziokeních žaluzií (na 50 %) a případně i vnitřních žaluzií (na 60 %) či jiných stínicích prvků.

Možností je i použití vhodných skel či fólií. Ale i v tomto ohledu se liší sklo pro minimalizaci spotřeby energie pro vytápění od skla pro minimalizaci tepelných zisků v létě. I když se pro oba způsoby používá tzv. selektivních skel. Skla pro snížení spotřeby tepla propouštějí do prostoru maximum krátkovlnné sluneční radiace, ale zamezují úniku dlouhovlnné radiace odvádějící teplo z místnosti. Selektivní skla pro léto naopak odrážejí maximum radiace jak ultrafialové, tak infračervené a zvýšenou propustnost mají pouze pro vlnové délky viditelného záření (světlo). Použití takovýchto selektivních skel pro obytné domy není zatím vzhledem k jejich ceně běžné, ale u administrativních budov už nachází své uplatnění.

Další možností, jak přispět k tepelné pohodě v letních měsících, jsou terénní úpravy okolí budovy. Studie a monitorování ukazují, že v centrech měst, okolí komunikací a parkovišť vznikají takzvané tepelné ostrovy, kde je teplota vzduchu až o 5 °C vyšší než v okolí měst. Naopak použitím vodních hladin, fontán a zeleně lze snížit teplotu vzduchu o dalších cca 5 °C. Tento koncept známe z řady atrií a vnitřních zahrad v subtropickém pásmu, kde mají s pasivním chlazením již bohaté zkušenosti.

 

Nejznámější metodou je bezesporu noční chlazení objektů. Nočním chladnějším vzduchem se předchladí stavební konstrukce a ta se následujícího dne pozvolna ohřívá. Podmínkou funkce nočního chlazení je dobrá provětratelnost objektu. Vhodné je příčné provětrávání, kdy jsou otevřena okna na protilehlých stěnách objektu a vlivem větru dochází k proudění vzduchu. Dále lze využít vztlaku teplejšího vzduchu při otevření jak oken v přízemí, tak v podkroví.

 

Druhou nezbytnou podmínkou je dostatečná akumulace tepla stavebních konstrukcí. Pro akumulaci se uplatní max. 5 až 10 cm zdiva, ale jakákoli izolace na vnitřním povrchu tento proces výrazně zhoršuje. Kritická je situace v místnostech s podhledy, koberci a sádrokartonovými příčkami, které postrádají potřebnou akumulační hmotu, a noční větrání potom snižuje pouze teplotu vzduchu. Během dne, kdy je teplota venkovního vzduchu vyšší nežli teploty vzduchu uvnitř budovy, by se větrání mělo naopak omezit.

Nočním větráním lze odvést cyklickou tepelnou zátěž cca 20–30 W/m² a snížit vnitřní teploty vzduchu o 2 až 3 °C. Pro obytné budovy s dostatečnou tepelnou kapacitou a vhodným stíněním je v naší republice noční větrání většinou postačující pro dodržení tepelné pohody v letních měsících, pro budovy administrativní už není situace tak jednoznačná.

V ČR je poměrně vysoký potenciál pro noční chlazení; rozdíl denní a noční teploty je většinou vyšší než 10 K a tzv. mean daily temperature range je 11,6 K. Minimální noční teplota je obvykle pod 18 °C (viz obr. 4).

 

Adiabatické chlazení využívá přeměny citelného tepla na teplo latentní při vypařování vody, čímž se snižuje teplota vzduchu. Přímé adiabatické chlazení se hodí především pro suché, horké či teplé klima (někdy se používá i název pouštní chlazení). Nelze ho však použít pro oblasti s vlhkým klimatem. Středoevropské klima je hodnoceno jako teplé (výpočtová teplota 32 °C) a částečně vlhké (semi humid).

 

Lze tedy konstatovat, že přímé adiabatické chlazení umožňuje výrazně snížit tepelnou zátěž prostoru, ale není schopno celoročně zajistit podmínky tepelného komfortu, a je proto nezbytné ho kombinovat s jiným zdrojem chladu. Přímé adiabatické chlazení se uplatní především tam, kde je požadována vysoká vlhkost vzduchu a zároveň chlazení. Příkladem takové aplikace je adiabatické chlazení pavilonu Indonéská džungle v pražské ZOO.

Přímé adiabatické chlazení pro pavilon ZOO – Indonéská džungle

Pro posouzení energetických bilancí dnes už vybudovaného pavilonu Indonéská džungle pro ZOO Praha byla použita velmi efektní metoda počítačové simulace. Vzhledem k požadované vysoké vlhkosti vzduchu (70 až 90 %) bylo navrženo přímé adiabatické chlazení rozstřikováním vody v prostoru, čímž se snížil maximální chladicí výkon z původních 215 kW na 160 kW. Výrazně se snížil i počet hodin s požadovaným chlazením – z původních téměř 2000 hodin na polovinu. Výsledky počítačové simulace určily i přibližný počet hodin, kdy je potřebný vysoký chladicí výkon. Například výkon vyšší než 120 kW se využije pouze 80 hodin v roce.

 

Nepřímé adiabatické chlazení

Při nepřímém adiabatickém chlazení je sekundární vzduch adiabaticky ochlazen a pomocí výměníku vzduch – vzduch ochlazuje primární vzduch. Výhodou tohoto principu je, že se měrná vlhkost primárního vzduchu již nezvyšuje. K odvlhčení (kondenzaci) primárního vzduchu dochází však jen výjimečně, a tak relativní vlhkosti zůstávají vyšší než při standardním chlazení (viz obr. 7).

Pro nepřímé adiabatické chlazení se často používají i speciální klimatizační jednotky, které využívají sprchování sekundární strany výměníku tepla a které mají vyšší chladicí výkony než prostá kombinace pračky a výměníku. Jako sekundární vzduch je využíván vzduch odváděný z klimatizovaného prostoru, čerstvý vzduch nebo část již ochlazeného primárního vzduchu.

Při analýze výsledků nelze opomenout, že alternativní způsoby chlazení využívají větší průtoky venkovního vzduchu. To samo o sobě vede k výraznému snížení spotřeby energie pro chlazení, neboť většinu chladicí sezóny je teplota venkovního vzduchu nižší než teplota požadovaná.

 

Pro využití chladu zemského polomasivu je nutné použít vodní nebo vzduchový systém. Chladná spodní voda se může v letních měsících používat pro podlahové chlazení. Je-li zemní výměník používán pouze krátkodobě v letních extrémech, lze získat i 45 W/m² zemního výměníku. Pro dlouhodobou sezónní akumulaci tepla klesá výkon na 8–10 W/m².

Poměrně zajímavé je využití zemního výměníku tepelného čerpadla země – voda v letních měsících pro chlazení. Nejen, že tak získáme zdroj chladu, ale zvyšuje se tím i topný faktor tepelného čerpadla v zimních měsících.

Velmi zajímavým kancelářským objektem využívajícím zemních výměníků je Ekologické vzdělávací centrum Sluňákov.

 

Alternativní způsoby chlazení mohou přinést jak zvýšení tepelného komfortu v neklimatizovaných budovách, tak výrazné snížení spotřeby energie pro chlazení v hybridních systémech. Koncept nízkoenergetické či pasivní budovy z pohledu chlazení musí vycházet již z architektonického řešení. Kromě uplatňování prvků pro snížení tepelných zisků z vnějšího prostředí (stínění, přirozené větrání atd.) je třeba zajistit i užívání budovy v souladu s touto koncepcí.

Pro dimenzování alternativních způsobů chlazení budov stále chybí standardní postupy, a proto je vhodné využívat metod modelování a počítačové simulace při jejich návrhu a optima­lizaci.

MILOŠ LAIN

 

1) Barnard, N. – Jaunzens, D.: Low Energy Cooling – Technology Selection and Early Design Guidance, Building Research Establishment Ltd., London, 2001, 109 p.

2) Heap, R. D.: Refrigeration and air conditioning – the response to climate change, Bulletin of the IIR – No 2001-5.

3) IEA: Review of Low Energy Cooling Technologies, Natural resources Canada, Ottawa, Canada, 1995, 88 p.

4) Roel, H.: Low Energy Cooling–Detailed Design Tools, Building Research Estabilishment Ltd, London, 2000, 327 p.

5) Santamouris, M. – Asimakopoulos, D.: Passive Cooling of Buildings, James&James Ltd., London, U.K., 1996, 472 p.

6) Houghton, J.: Globální oteplování, Academia, Praha, 1998, 228 s.

7) Passive design, http://www.greenhouse.gov.au/yourhome/technical/fs10.htm.