Nejnavštěvovanější odborný portál
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

TZB-2002: Počítač pro topenáře

Dramatický vývoj výpočetní techniky v posledních letech umožnil rozvoj nových metod a prostředků, které podporují navrhování budov a jejich technických zařízení. Vedle velmi pohledných a komerčně úspěšných grafických prostředků pro podporu procesu navrhování (CAD programů) se i v oblasti energetických systémů budov začínají prosazovat výpočtové programy, které dokáží popsat chování budovy nebo její části, za proměnných klimatických a provozních podmínek, označované souhrnně simulační programy.

Pod pojmem popis chování budovy zde můžeme očekávat například průběhy teplot v závislosti na čase, průběhy okamžitých potřeb tepla i celoroční bilance, dvoj i trojrozměrně zobrazení proudění vzduchu v místnostech. Účelem těchto programů je ještě ve fázi návrhu budovy prověřit její předpokládané chování za různých podmínek a dát tak podklady k optimalizaci návrhu.

Použití metod počítačové simulace lze přirovnat k virtuální laboratoři, ve které vytvoříme do jisté míry zjednodušný model budovy nebo její části, tento model vystavujeme působení různých klimatických a provozních podmínek a "měříme", co se ve sledovaných místech modelu děje. Tímto způsobem jsem schopni s minimálními náklady ve srovnání se skutečným modelem a fyzikálními měřeními prověřit desítky až stovky variant řešení různých konstrukční prvků a vytvořit tak například optimalizační funkci pro stanovení velikosti tohoto prvku.

Na druhou stranu je nutno upozornit na to, že práce s počítačovým modelem energetického chování budovy je velmi náročná jak z hlediska požadavků na hardware, software tak z hlediska jejího použití. U tak složitého systému, jako je budova a její technická zařízení, je totiž velký problém ve stanovení vstupních hodnot, kterými bývají fyzikální a geometrické vlastnosti jednotlivých prvků a použitých materiálů. Počítačový model bývá totiž v závislosti na použité metodě výpočtu velmi citlivý na jednotlivé parametry a snadno se může stát, že výsledek je ve vztahu k realitě naprosto irelevantní, právě z důvodu drobného přehlédnutí nebo obyčejného překlepu kdesi na začátku. Z tohoto důvodu je každý seriózní simulační program podrobován velmi náročným verifikacím a testování a každý vytvořený počítačový model by měl být otestován ve známých podmínkách.

Z těchto důvodů je nutno hledět i na praktickou aplikaci těchto metod. Tak jako se nedělá skutečný fyzikální model pro každou budovu a při návrhu se vychází ze zkušeností a zjednodušených výpočtových metod ( tepelné ztráty, denostupňová metoda atd.), nemá smysl zpracovávat pro každou budovu počítačový model. Použití těchto metod je však naprosto na místě tam, kde chybí zkušenost s obdobným problémem a kde je řešen atypický problém. Do této skupiny bezpochyby patří většina prosklených budov, atriových staveb, shromažďovacích místností, nízkoenergetických budov, kde zkušenosti s realizovanými budovami navrženými tradičními postupy bývají mnohdy velmi bolestivé - podle normy navržené vytápění nebo chlazení nedostačuje v extrémních podmínkách, obyvatelé si stěžují na nepříjemné vnitřní prostředí a takto by se dalo jmenovat dál.

U navrhovaných budov je použití modelu dáno okamžikem, kdy se počítačový model sestaví a použije. Využití je od koncepčního rozhodování na úrovni architektonické studie, kdy je možné měnit i základní parametry budovy jako je tvar, velikost oken, konstrukce i koncepční řešení systémů TZB, přes detailnější pohled na nestandardních řešení obvodových prvků budov a jeho dopad na energetické chování budovy ( např. dvojité fasády, Trombeho stěny, transparentní izolace) při daném koncepčním řešení budovy po optimalizaci provozní regulace vytápění a větrání budov v daném objektu. Kromě vyhodnocení navrhovaného řešení z hlediska spotřeby energie je velmi často možné též analyzovat výsledný stav vnitřního prostředí z hlediska tepelného mikroklimatu.

Počítačového modelování a simulace energetického chování budov je vhodné použít především v těchto případech:

  • Tvorba podkladů pro koncepční rozhodování na úrovni architektonické studie (integrované modely budovy, energetického systému a provozu)
  • Modelování vlivu nestandardních řešení obvodových prvků budov (prosklené stavby, dvojité fasády, lehké budovy, nízkoenergetické budovy, řešení stavebních detailů) na energetické chování budov.
  • Modelování nestandardních řešení prvků technických zařízení budov (přirozená klimatizace budovy, tepelná čerpadla, podlahové vytápění, hypokaustenické vytápění, chlazené stropy
  • Optimalizace nastavení provozní regulace vytápění a větrání budov
  • Analýza vlivu úsporných opatření na energetickou bilanci v rámci energetických auditů
  • Modelování vnitřního prostředí prostor - obrazy proudění, rozložení výsledné teploty
  • Výpočet rozúčtování provozních nákladů složitých provozních celků

Vybrané simulační programy dostupné v ČR
ESP-r je soubor programů, který popisuje energetické chování jednotlivých prvků budovy a umožňuje sestavovat modely použitelné od koncepčního rozhodování na úrovni architektonické studie po detailní řešení aerodynamiky interiéru. Používá se na modelování dvojiitých fasád, nízkoenergetických budov, pro analýzu denního osvětlení, výpočty tepelné pohody. Pracuje pod operačním systémem UNIX, obsluhování vyžaduje praxi a zaškolení. Program je vyvíjen ve Skotsku University of Strathclyde, v ČR se s ním seznamují studenti doktorského studia na ČVUT.


Obr. 1 Grafické prostředí programu ESP-r

IDA je nástroj pro simulaci tepelné pohody, kvality vnitřního prostředí a potřeby energie. Výhodou programu IDA je možnost doplnění existujících modelů vlastními v programovacím jazyku NMF ( na bázi Fortranu) Program má velmi přátelský grafický interface a intuitivní ovládání. Jedná se o komerční sw, vyvíjený ve Švédsku. V ČR je možné se s ním seznámit na ČVUT, Fakultě stavební.


Obr. 2 Interface programu IDA

TRNSYS
Modulární simulační sw, který obsahuje většinu komponentů běžně se vyskytujících v zařízeních TZB ( kotle, tělesa, ventily, kolektory) a nástroje pro zpracování klimatických údajů a matematických modelů nových prvků. TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation Program) je v zahraničí používán pro analýzu a návrh systémů vytápění a větrání budov, návrh solárních zařízení, simulaci energetického chování budov, analýzu regulačních schémat atd. TRNSYS je komerční SW.


Obr. 3 Příklad zadání schématu zařízení na využití solární energie v programu TRNSYS

Fluent
Fluent patří k nejrozšířenějším programům z oblasti CFD (Computational Fluid Dynamics), které dokáží modelovat chování proudících tekutin. Vedle aplikací z oblasti hydrauliky potrubí se stále častěji vyskytují aplikace popisující proudění vzduchu v interiérech budov a vnitřní prostředí. Fluent je komerční SW, v ČR je používán na ČVUT.

Domotec Syncro
Domotec Syncro je specializovcaný simulační program na analýzu zařízení pro smíšený ohřev TUV. Program umožňuje zvolit schéma zapojení, dimenzi jednotlivých komponentů a sledovat provozní parametry zařízení v průběhu dne. Jedná se o freeware (volně šířitelný sw) pocházející z Německa, který lze nalézt na Internetu.


Obr. 4 Simulace chodu zařízení na ohřev TUV Domotec Syncro

T-sol
T-sol a PV-sol jsou simulační programy specializované na simulaci chování zařízení na využití solární energie. Umožňují sestavení schématu z předdefinovaných komponentů a celoroční simulaci chodu zařízení za daných klimatických podmínek. Výsledkem je energetická bilance a vyhodnocení účinnosti, výkonu a návratnosti navrženého zařízení.


Obr. 5 Grafický interface programu T-sol

Závěr
Počítačová simulace energetických systémů budov, kam vytápění patří, je slibně se rozvíjející novou metodou, umožňující prozkoumat a optimalizovat systémy vytápění budov již v době koncepční a projektové přípravy. V poslední době se metody počítačové simulace rozvíjejí nejen v prostředí technických univerzit, ale i v některých konzultačních firmách.

Zájemce o počítačové modelování a simulaci budov na celém světě sdružuje mezinárodní organizace IBPSA (International Building Performance Simulation Association), jejímiž členem se stává automaticky každý člen její regionální pobočky, která v České Republice pracuje od roku 1999.