Příklad pasivního chlazení domu ukazuje nové možnosti projektování. Teplo, ztráty energie, přehřívání, nekomfortní prostředí i ekonomika staveb – to jsou problémy, které trápí architekty a projektanty všech generací i zaměření. V minulost se při projektování vycházelo z empirických fyzikálních modelů vytvořených na základě dlouholetých zkušeností, které ale už dnes nejsou schopny postihnout vlastnosti nových materiálů a ani vývoj a dopad změn klimatu v daném místě. Řešení přinesly počítačové simulace, pracující s unikátními daty.
Švédský počítačový program COMSOL poskytuje v simulacích přestupu tepla možnosti dříve jen velmi obtížně dostupné, a to hned z několika důvodů. Mimo jiné … „obsahuje databáze časových meteorologických dat z celého světa. Stačí zadat čas a polohu a vaše simulace může používat reálné okrajové podmínky včetně trasování slunečných paprsků,“ říká o jedné z výhod Ing. Hana Charvátová, Ph.D. z Fakulty aplikované informatiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně.
Dr. Charvátová nedávno prezentovala příklad modelování pasivního chlazení dřevostavby, která využívá k úschově energie skupenské teplo tenké stropní vrstvy PCM materiálů (Phase Change Materials).
Pozn.
Materiály s fázovým přechodem označované jako PCM jsou látky schopné skladovat a následně uvolňovat značné množství energie a nachází využití v celé řadě oborů – od textilního průmyslu přes medicínu až po stavebnictví.
Z energetického pohledu pro zajištění teplotního komfortu pro obyvatele je obvykle efektivnější budovu vytápět než ji chladit, což ale neplatí pro pasivní chlazení, a proto je tento konkrétní případ velmi zajímavý a inspirativní. Veškeré informace najdete ve studii. Ke stažení zde.
„Cílem simulací bylo posoudit účinek pokrytí stěn uvnitř domu pomocí PCM ve třech variantách a jeho pasivního chlazení v teplých letních dnech. Model domu bez pokrytí PCM byl porovnán s modely domu, ve kterých byl PCM umístěn na všech zdech kromě podlahy a na stěnu naproti oknu. Počítačové simulace byly provedeny pomocí COMSOL Multiphysics®. Software, který obsahuje nástroje pro modelování nestacionárního přenosu tepla vedením, prouděním a zářením,“ vysvětluje Hana Charvátová.
Pokrytí stěn PCM může zabránit extrémnímu zvýšení teploty vzduchu v domě, zejména v odpoledních a večerních hodinách a pro optimální účinnost je nesmírně užitečné využít i časový průběh teploty venkovního ovzduší a intenzity slunečního záření s ohledem na časové zpoždění prostupu tepla stěnami a okny domu.
Obrázek 1
Geometrický nákres studovaného modelu dřevostavby. Modrá je vyznačena vrstva PCM pokrývající vnitřní obvodové stěny a strop. Simulace byla proveden pro klimatické podmínky vybraných dnů letního období na území České republiky. Zeměpisná orientace dřevostavby je naznačena v uvedeném nákresu. Z důvodu snížení náročnosti výpočtu na operační paměť počítače, byla pro řešení aplikována podmínka geometrické symetrie modelu, jak je rovněž ukázáno v nákresu modelu.
Obrázek 2
Porovnání časového vývoje teploty vzduchu v simulaci pasivního ohřevu dřevostavby v závislosti na její konstrukci. Obrázky vlevo znázorňují rozložení teploty vzduchu v modelu dřevostavby, jejíž stěny nebyly pokryty PCM, vpravo je znázorněno rozložení teploty vzduchu v modelu, jehož zadní stěna byla pokryta PCM. Výsledky byly vyhodnoceny pro 6. den ohřevu dřevostavby za uvažovaných okrajových podmínek, k nímž patří především časově proměnná teplota venkovního vzduchu a intenzita slunečního záření. Výstupní data ukazují, že pokrytím stěny PCM došlo ke snížení teplotního maxima denní teploty vzduchu interiéru, a rovněž ke snížení jejího rozpětí v průběhu dne. Podrobněji jsou výsledky studie popsány v publikaci [1].
[1] Charvátová, H.; Procházka, A.; Zálešák, M. Computer Simulation of Passive Cooling of Wooden House Covered by Phase Change Material. Energies 2020, 13, 6065. https://doi.org/10.3390/en13226065