Modelování vlivu PCM omítek na tepelnou pohodu a kvalitu vnitřního prostředí v kanceláři

Článek popisuje studii vlivu omítek se speciální látkou měnící skupenství (tzv. PCM omítek) na kvalitu vnitřního prostředí a tepelný komfort. Hodnocení stavu vnitřního prostředí je popsáno matematickou simulací v programu ESP-r. ­Verifikace získaných hodnot z matematické simulace je provedena měřením na konkrétní instalaci PCM omítek v kancelářských prostorách.

Recenzent: Roman Vavřička

Úvod

Kancelářské budovy patří mezi budovy, které spotřebovávají velké množství energie. Využití moderních mate­riálů ke snížení spotřeby energie má dopad také na tepelnou pohodu a kvalitu vnitřního prostředí. Tento článek si klade za cíl zodpovědět následující otázky: Jaký je vliv použitých PCM omítek na kvalitu vnitřního prostředí? Jsou PCM omítky vhodné do prostředí bez aktivního chlazení? Kdy mají PCM omítky největší vliv na tepelný komfort v místnosti?

Modelování a simulace

Případová studie je zaměřena na hodnocení vlivu PCM omítek na tepelnou pohodu a kvalitu vnitřního prostředí v kanceláři. Porovnání vlivu PCM omítek a běžně používaných omítek na tepelnou pohodu je provedeno na základě počítačové simulace. Pro posouzení kvality vnitřního prostředí jsou použity indexy PMV (předpověď středního tepelného pocitu) a PPD (procentuální podíl nespokojených).

Pro danou analýzu byl použit dynamický simulační program ESP-r. Program ESP-r (Environmental Systems Performance – research) je dynamické simulační prostředí pro analýzu hmotnostních a tepelných toků v budovách. Během simulačního výpočtu je sledován vývoj hmotnostních a energetických toků při změnách regulačních zásahů a okrajových podmínek (venkovní mikroklima a vnitřní provozní podmínky). V každém časovém kroku simulace je daný problém omezován na ustálené toky. [1]

Model

Pro účel analýzy byla zvolena referenční místnost (kancelář katedry technických zařízení budov) v budově Fakulty stavební ČVUT v Praze. V kanceláři „A225“ byly dodatečně instalovány PCM omítky na dělící příčky mezi kancelářemi, a také došlo k zateplení obvodové stěny z vnitřní strany izolačními VIP panely. Místnost se nachází v šestnáctipatrové třítraktové budově s aktivním vytápěním a větráním bez klimatizace.

Hodnocená referenční místnost je o půdorysných rozměrech 5 m x 3 m, světlá výška místnosti je 3,3 m. Referenční místnost má jednu vnější zateplenou stěnu s oknem o rozměrech 3 m x 1,6 m, podlahu, strop, vnitřní stěnu oddělující místnosti od chodby, dělicí příčky mezi kancelářemi a dveře do chodby. Jelikož se jedná o kancelář ve druhém nadzemním podlaží, tepelná ztráta prostupem se předpokládá pouze přes obvodovou stěnu. Ztráty do přilehlé chodby a okolních kanceláří nejsou významné a jsou proto zanedbány. Fasáda je orientována jihozápadním směrem. [2]

Pracovní doba je v administrativní budově uvažována v pracovní dny od 8:00 do 18:00 hodin.

Pro vytápění na teplotu 22 °C je k dispozici výkon otopných těles v rozsahu 0 až 2000 W. Tento výkon je navržen tak, aby pokryl potřebu tepla pro zajištění požadavků vnitřního prostředí v extrémních případech v českých klimatických podmínkách. Energie je distribuována z 25 % radiací a 75 % konvekcí. Vytápění je regulováno podle vnitřní teploty. Vytápění je nastaveno na teplotu 22 °C v pracovních dnech od 6:00 do 22:00. V době od 22:00 do 6:00 a o víkendech a svátcích je vytápění ztlumeno na teplotu 17 °C. Vlhkost v kanceláři není sledována.

Větrání je nucené, předpokládaná intenzita výměny vzduchu v pracovní době je různá, dle obsazenosti dané kanceláře. V kanceláři „A225“ je intenzita výměny vzduchu nastavena na hodnotu 50 m³/h (1 osoba v místnosti). Nemalý podíl na větrání má i infiltrace starými okny, která předpokládá 0,5násobnou výměnu vzduchu. Mimo pracovní dobu se intenzita výměny vzduchu snižuje (pouze infiltrace okny).

Pro stanovení vnitřních zisků je třeba zohlednit provoz budovy. Model uvažuje s přítomností jedné až dvou osob v kancelářích během pracovní doby. Dále je třeba uvažovat s vybaveností kanceláří (počítače, tiskárny apod.), které vnitřní tepelné zisky produkují nejvíce. Osvětlení funguje v pracovní době během celého roku (intenzita osvětlení 500 lx).

Ověření modelu

Pro ověření funkčnosti modelu bylo třeba provést verifikaci modelu na základě reálného měření. Toto měření sestávalo z měření venkovní teploty, vlhkosti vzduchu, intenzity slunečního záření, rychlosti a směru proudění větru a z měření vnitřních teplot v referenční místnosti. Verifikace modelu proběhla na základě porovnání skutečně naměřených teplot s teplotami, které uvažuje simulační program.

Z výsledků bylo patrné, že program ESP-r předpokládá udržení požadované vnitřní teploty, ve skutečnosti však dochází k poklesu či zvýšení teploty. Skutečně naměřená teplota klesá a stoupá v rozmezí ± 0,2 °C okolo teploty zvolené v simulačním programu. Tento rozdíl byl vyhodnocen jako přijatelný a model je považován za uspokojivý.

Simulace

Celoroční simulace proběhla při použití pražských klimatických dat dle ASHRAE. Byla použita integrovaná simulace s časovým krokem 1/4 hodiny a 10denní počáteční periodou.

Simulace byla provedena ve 2 variantách, které jsou dále ve výsledcích porovnávány:

• Varianta 1 simulace bez použití PCM omítek
• Varianta 2 simulace s použitím PCM omítek

Stručný popis PCM omítky

Jako PCM omítka byla použita nástřiková omítka „Maxit Clima 23“ na bázi sádry s příměsí kapalné disperze mikrokapslí Micronal PCM. Tato omítka je schopna vlivem mikrokapslí Micronal PCM do sebe akumulovat velké množství tepelné energie a tím pasivně stabilizovat teplotu v místnosti. Omítka o tloušťce 15 mm je schopna do sebe akumulovat 4,5krát více tepla než běžně používané omítky. Měrné skupenské teplo dosahuje hodnoty přibližně 110 kJ/kg. [3]

Výsledky

Výsledky jsou zaměřeny na posouzení vlivu PCM omítek na tepelnou pohodu a kvalitu vnitřního prostředí. Posouzení kvality vnitřního prostředí a tepelného komfortu je provedeno na základě normy ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí. [4]

Žádoucí tepelné prostředí pro daný prostor může být vybráno mezi třemi kategoriemi A, B a C (viz Příloha A.1 – ČSN EN ISO 7730). Pro kancelářské prostory platí, že je tepelná pohoda zaručena, pokud je hodnota indexu PPD < 10 % a současně se předpověď středního tepelného pocitu pohybuje v rozmezí – 0,5 < PMV < + 0,5. Přípustné je, pokud se hodnota indexu PPD pohybuje do 20 % nespokojených a hodnota PMV kolísá v rozmezí – 1 < PMV < + 1. Pokud jsou však tyto hodnoty překročeny, pak v daném prostoru nastává tepelná nepohoda. [4]

Pro posouzení kvality vnitřního prostředí byly použity indexy PMV (předpověď středního tepelného pocitu) a PPD (procentuální podíl nespokojených) za předpokladu, že tepelný odpor oděvu odpovídá běžnému oblečení v kancelářském provozu (tj. 0,7 clo v letním období a 1,0 clo v přechodném a zimním období), při aktivitě 70 W/ m² lidského těla a rychlosti proudění vzduchu 0,1 m/s.

Z grafů na obrázku 2 je patrné, že použité PCM omítky částečně ovlivňují kvalitu vnitřního prostředí v místnosti. Tepelná pohoda při použití PCM omítek stoupne přibližně o 4 %. Ke vzniku tepelné nepohody v místnosti dojde zejména ve chvíli, kdy vysvitne slunce a místnost se vlivem dodatečného zateplení obvodové konstrukce začne přehřívat. PCM omítky mohou akumulovat pouze určité množství tepelné energie. Po dosažení limitní povrchové teploty stěn (v tomto případě se hraniční teplota pohybuje v rozmezí 26 °C až 28 °C) přestávají PCM omítky akumulovat přebytečnou tepelnou energii a poté může dojít k nechtěnému diskomfortu (zejména v letním období, protože místnost není aktivně chlazena).

Na obrázcích 3 až 6 jsou znázorněny grafy povrchových teplot stěn a grafy teplot vzduchu v místnosti s PCM omítkami a v místnosti s běžnými omítkami. Na uvedených grafech je patrné, že největší vliv mají PCM omítky v přechodných obdobích na jaře a na podzim (obr. 4 a 6). V této době se vnitřní teplota vzduchu pohybuje v rozmezí od 24 °C do 30 °C. Mikrokapsle Micronal PCM, které jsou obsažené v PCM omítkách, začínají ukládat latentní teplo v okamžiku, kdy vnitřní teplota vzduchu dosáhne určité hodnoty. Mikrokapsle mají bod tání 23 °C a při dosažení této teploty začnou absorbovat teplo z okolního vzduchu. Tím jsou především v přechodném období zajištěny příjemné pracovní podmínky a nedochází tak k nechtěnému diskomfortu vlivem zvýšené vnitřní teploty.

V zimních měsících, kdy je vnitřní teplota vzduchu nižší než 23 °C, nemají PCM omítky žádný vliv na tepelný komfort v místnosti (obr. 3). Naopak v letních měsících je teplota vzduchu v kanceláři často vyšší než 28 °C a PCM omítky již při této teplotě přestávají být účinné (obr. 5).

Závěr

Případová studie na základě počítačové simulace potvrdila, že PCM omítky mají pozitivní vliv na kvalitu vnitřního prostředí v posuzované místnosti. Je prokázáno, že nejvíce tepelné energie vstupuje do budovy okny v podobě slunečního záření a ve formě vnitřních tepelných zisků (lidé, osvětlení, počítače apod.). Použití PCM omítek (zvýšení tepelné kapacity konstrukce) se jeví jako vhodné řešení pro zajištění tepelné pohody v místnosti bez dodatečné spotřeby energie potřebné pro chlazení místnosti (v přechodných obdobích). PCM omítky zlepšují tepelnou pohodu v kanceláři během jarních a podzimních měsíců. Největší využití mají v objektech s nízkou tepelnou setrvačností. Před instalací je nutné správně zvolit vhodnou teplotu změny skupenství. V objektech s vyšší tepelnou kapacitou je jejich vliv na teplotu interiéru nižší.

Poděkování

Tato práce vznikla v rámci řešení projektu Clear-Up (FP7/2007-2013) n° 211948 a byla podpořena grantem ČVUT č. SGS10/234/OHK1/3T/11.

Literatura

[1] Manual: ESP-r, A Building Energy Simulation Environment, ESRU Manual. Energy System Research Unit, University of Strathclyde, Glasgow 1998
[2] Kabele, K. – Bartoňová, J. – Patakiová, M. – Vavřinová, K. Simulation in Control System Sensor Location Design. In: Proceedings of the 12th Conference of The International Building Performance Simulation Association. [CD-ROM]. Sydney: IBPSA Australasia, 2011, p. 2573-2578. ISBN 978-0-646-56510-1.
[3] SAINT-GOBAIN Weber GmbH. Weber.mur clima 26 [online]. 2010, [cit. 2011-11-26]. Available from: <http://www.sg-weber.de/ fassade-wand/weber-guide/produkte/gips-produkte/webermur-clima-26.html>.
[4] ČSN EN ISO 7730, 2006. Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu. Praha, Český normalizační institut.

---

Simulation of the impact of PCM plasters on thermal comfort and indoor environmental quality in office

This article presents a case study evaluating the impact of modern building materials, specifically plasters with phase change materials (PCM plasters), on indoor environmental quality (IEQ) and thermal comfort. Evaluation of indoor environment condition is performed using a computer simulation tool ESP-r. Computer simulation was verified by in-situ measurements. Examples of measurements from a particular installation are enclosed for comparison of results.

Keywords: PCM plaster, IEQ, computer simulation