Nestacionární výpočetní model tepelného chování budovy s hodinovým krokem zpracovaný pro program Energie 2023 byl detailně ověřen podle americké normy ASHRAE 140-2017, která se mezi specialisty na dynamické simulace budov používá jako mezinárodní standard pro verifikaci dynamických simulačních programů.
Pro testování byly použity příklady z kategorie Class I, které jsou určeny pro ověřování programů s výpočetním krokem 1 h a kratším. Konkrétně byly zpracovány úlohy 600, 600FF, 610, 620, 630, 640, 650, 650FF, 900, 900FF, 910, 920, 930, 940, 950, 950FF, 960, 195, 200, 210, 215, 220, 230, 240, 250, 270, 290, 300, 310, 320, 395, 400, 410, 420, 430 a 800.
Ověřuje se celkem 157 samostatných výsledků od maximálních a minimálních teplot po potřeby energie na vytápění a chlazení. Vedle toho se pak ještě vyhodnocují různé odvozené výsledky (mapř. rozdíly výsledků dvou různých testů) a průběhy teplot a potřeb energie.
Při výpočtu verifikačních příkladů se používá několik typů modelových místností (jednozónových budov) s různě uspořádanými okny a s různým stíněním, např.:
 |
| Modelová místnost pro úlohu 600 a navazující případy |
 |
| Modelová místnost pro úlohu 620 a navazující případy |
 |
| Modelová místnost pro úlohu 630 a navazující případy |
 |
| Modelová budova se zimní zahradou pro úlohu 960 a navazující případy |
Pro obalové konstrukce modelových místností jsou v ASHRAE 140 předepsány konkrétní skladby. Při výpočtech se uvažují různé kombinace lehkých a hmotných konstrukcí, které slouží k ověření citlivosti programu na tepelnou akumulaci místnosti. Režim větrání místností se uvažuje také ve více variantách, stejně tak i velikost vnitřních zisků.
Sledovanými a dále porovnávanými výsledky výpočtu jsou podle situace:
- minimální, maximální a průměrné roční teploty v místnosti
- průběhy teplot v místnosti ve vybraných dnech
- potřeby energie na vytápění a chlazení za rok
- průběhy potřeb energie na vytápění a chlazení ve vybraný den
- nejvyšší potřebné topné či chladící výkony během roku
- množství slunečního záření dopadajícího na určitou plochu a/nebo procházejícího skrz okna.
Kromě výše popsaného zadání uvádí ASHRAE 140 i výsledky verifikačních příkladů zpracované osmi různými zahraničními simulačními programy (ESP, BLAST, DOE-2, SRES, SRES-SUN, S3PAS, TASE a TRNSYS), z nichž lze odvodit, v jakém rozmezí se mohou výsledky pohybovat. Protože většinou nelze úplně jednoznačně určit, který výsledek je ten nejpřesnější, norma nespecifikuje, jaká je maximální přípustná odchylka výsledků testovaného programu od publikovaných rozmezí.
Následující grafy ukazují postupně výsledky jednotlivých verifikačních příkladů vypočtených v programu Energie 2023 a v simulačních programech uvedených v ASHRAE 140.
 |
| Roční množství dopadající sluneční energie |
 |
| Roční množství sluneční energie procházející nestíněným oknem |
 |
| Roční množství sluneční energie procházející stíněným oknem |
 |
| Průměrná roční propustnost slunečního záření okna |
 |
| Roční stínící součinitel pro pevné stínící překážky u okna |
 |
| Roční potřeba tepla na vytápění pro místnost s lehkými konstrukcemi |
 |
| Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje tepla na vytápění pro místnost s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje chladu na chlazení pro místnost s lehkými konstrukcemi |
 |
| Roční potřeba tepla na vytápění pro místnost s hmotnými konstrukcemi |
 |
| Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s hmotnými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje tepla na vytápění pro místnost s hmotnými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje chladu na chlazení pro místnost s hmotnými konstrukcemi |
 |
| Nejvyšší teplota vnitřního vzduchu během roku - režim free-float (bez TZB) |
 |
| Nejnižší teplota vnitřního vzduchu během roku - režim free-float (bez TZB) |
 |
| Průměrná roční teplota vnitřního vzduchu - režim free-float (bez TZB) |
 |
| Vliv stínění jižního okna - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení pro stíněné a nestíněné okno |
 |
| Vliv stínění jižního okna - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu pro stíněné a nestíněné okno |
 |
| Vliv změny orientace oken - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení pro orientaci oken J a V+Z |
 |
| Vliv změny orientace oken - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu pro orientaci oken J a V+Z |
 |
| Vliv stínění západního a východního okna - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení se stíněním a bez něj |
 |
| Vliv stínění západního a východního okna - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu se stíněním a bez něj |
 |
| Vliv tlumeného vytápění - rozdíl potřeb tepla na vytápění s útlumem a bez něj |
 |
| Vliv tlumeného vytápění - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla s útlumem a bez něj |
 |
| Vliv nočního větrání - rozdíl potřeb energie na chlazení s nočním větráním a bez něj |
 |
| Vliv nočního větrání - rozdíl potřebných výkonů zdroje chladu s nočním větráním a bez něj |
 |
| Vliv zimní zahrady - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení se zimní zahradou a bez ní |
 |
| Vliv zimní zahrady - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu se zimní zahradou a bez ní |
 |
| Vliv tepelné setrvačnosti - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení pro lehké a hmotné konstrukce |
 |
| Vliv tepelné setrvačnosti - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu pro lehké a hmotné konstrukce |
 |
| Vliv jižního okna - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení s průsvitným a neprůsvitným oknem |
 |
| Vliv jižního okna - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu s průsvitným a neprůsvitným oknem |
 |
| Potřeba tepla na vytápění pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřeba energie na chlazení pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje tepla pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje chladu pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřeba tepla na vytápění pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřeba energie na chlazení pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje tepla pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřebný výkon zdroje chladu pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění a chlazení pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřebných výkonů zdrojů tepla/chladu pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění a chlazení pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřebných výkonů zdrojů tepla/chladu pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění a chlazení pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřebných výkonů zdrojů chladu pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Potřeby tepla na vytápění pro různé varianty hodnocené místnosti |
 |
| Potřeby energie na chlazení pro různé varianty hodnocené místnosti |
 |
| Potřebné výkony zdroje tepla na vytápění pro různé varianty hodnocené místnosti |
 |
| Potřebné výkony zdroje chladu na chlazení pro různé varianty hodnocené místnosti |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění a chlazení pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Vliv různých faktorů - rozdíly potřebných výkonů zdrojů tepla/chladu pro různé kombinace dvou stavů |
 |
| Četnost výskytu teplot vnitřního vzduchu během roku |
 |
| Energie slunečního záření dopadající na jižní stěnu - jasná a zatažená obloha |
 |
| Energie slunečního záření dopadající na západní stěnu - jasná a zatažená obloha |
 |
| Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného chladného dne - režim free-float (bez TZB) |
 |
| Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného horkého dne - režim free-float (bez TZB) |
 |
| Potřeba energie na vytápění a chlazení během chladného jasného dne - místnost s lehkými konstrukcemi |
 |
| Potřeba energie na vytápění a chlazení během chladného jasného dne - místnost s hmotnými konstrukcemi |
Výsledky programu Energie 2023 se v základních 157 sledovaných parametrech pohybují ve 131 případech (83 %) v mezích uvedených normou ASHRAE 140. Ve 26 základních sledovaných parametrech vykazují odchylku od obvyklého intervalu v rozmezí 0,2 až 23 %. Odchylky nad 10 % byly přitom zjištěny pro případy, kdy byl výsledek publikovaný v ASHRAE 140 vypočten jen jedním dalším programem, nikoli všemi osmi porovnávanými SW.
Zbyněk Svoboda
Komentáře:
Dobrý den,
zaznamenala jsem změnu ve výpočtu, pokud mám podtlakové větrání, jsou mnohem menší tepelné zisky. Oproti přirozenému větrání. Jedná se o bytový dům s podtlakovým větráním, kde jsou ve fasádě přivětrávací prvky a ventilátory jsou na nižší stupeň puštěny trvale (100%). Asi je to díky novému postupu výpočtu? V Energii 2021 rozdíl nebyl.
Děkuji.
Zřejmě máte na mysli měsíční zisky uvedené v tabulkách v protokolu o výpočtu, případně roční zisky uvedené v PENB (?).
----
Bez znalosti konkrétního zadání mohu sice reagovat jen obecně, ale odhaduji, že jde nejspíše o důsledek toho, jak se zisky uvedené v protokolu a PENB určují.
Z hodinového kroku totiž nejde měsíční a roční zisky přímo vyčíslit. Pro jejich určení se musí provést výpočet s měsíčním krokem a vypočtené hodnoty se musí přenásobit faktorem využitelnosti, který se odvodí na základě výsledků hodinového kroku.
Může se pak asi stát to, o čem píšete. V samotném hodinovém výpočtu samozřejmě zůstávají zisky od osob či od Slunce stále stejné bez ohledu na způsob větrání. Jen se asi může stát, že se v tabulkách změní jejich informativně tištěná využitelná část.
----
Můžete nám nicméně pro jistotu poslat obě hodnocené úlohy? Podíval bych se na ně a zkontroloval, zda je vše tak, jak jsem popsal.
Dobrý den, v navazujícím článku uvádíte: "V uplynulých měsících jsme zvažovali ponechat v programu jen 5-uzlový model, který numericky funguje spolehlivě, ale při testování podle normy ASHRAE 140 (viz příspěvek) vykazoval bohužel vyšší odchylky od výsledků ostatních simulačních programů než přesný výpočet. Ten u modelových příkladů z ASHRAE 140 navíc žádné problémy s numerickou stabilitou neměl." Výsledky v článku jsou publikovány pro přesný výpočet? Lze někde najít popis přesné metody (výpočtu)?
Trochu mne překvapila rozdílnost ročního množství dopadající sluneční energie v ENERGII 2023 od ostatních programů (figure B8-1). Je otázka, co je toho důvodem, zdali metodika (postup) v ČSN EN ISO 52 016-1, dle které ostatní programy postupovat nemusí, či něco jiného.
Výsledky v příspěvku výše platí pro n-uzlový model. Ten se od 5-uzlového modelu z EN ISO 52016-1 liší v zásadě v tom, že pracuje se skutečnými skladbami konstrukcí, které se při výpočtu rozdělí až na 30 subvrstev (lineárních konečných prvků se 2 uzly). V každém časovém kroku se pak počítají teploty ve všech těchto uzlech.
Zjednodušený 5-uzlový model podle EN ISO 52016-1 pracuje naproti tomu jen s pěti (fiktivními) uzly, do kterých se koncentrují tepelně izolační a akumulační vlastnosti skutečné konstrukce.
Ledaskoho možná napadne, proč se vlastně nepoužívá ve výpočtu vždy jen skutečná skladba konstrukce a zavádí se jakési fiktivní uzly (5-uzlový model z EN ISO 52016-1 není jediný možný, existují i jiné přístupy). Souvisí to právě se zajímavým (a obtížným) problémem numerické stability nestacionárních úloh.
Pokud se totiž pracuje se skutečnou skladbou konstrukce (a tedy s větším počtem uzlů v konstrukci), zvětšují se většinou problémy s numerickou stabilitou. Ty se pak doporučují řešit zkrácením výpočetního kroku. To funguje celkem spolehlivě, ale znamená to, že se např. místo kroku 1 h musí použít krok 10 minut či méně. To může být nakonec bohužel časově zcela neúnosné.
Proto se řada odborníků pokouší už poměrně dlouho najít nějaký spolehlivý náhradní model konstrukce, který by používal co nejméně uzlů. Takovou úpravou se jednak zrychlí výpočet a jednak se většinou i odstraní problémy s numerickou nestabilitou. Nevýhodou ovšem je, že se současně vždy sníží přesnost výpočtu.
Jednoznačné řešení zatím, pokud vím, neexistuje. Je to zkrátka věc kompromisu.
Energie 2023 proto nabízí přesnější n-uzlový model, ovšem s výpočetním krokem 1 h, aby nebyl výpočet nereálně dlouhý (a tedy i rizikem, že občas nebude možné kvůli nestabilitě získat výsledky). A současně je k dispozici i zjednodušený 5-uzlový model podle EN ISO 52016-1, který zatím podle našich zkušeností funguje numericky spolehlivě, ale který zas neposkytuje tak přesné výsledky (právě třeba ve srovnání s výsledky z ASHRAE 140).
Je možné, že časem doplním do výpočtu volbu časového kroku pro n-uzlový model, aby si zájemnci mohli případně dobrovolně výpočet cca 6x prodloužit a měli pak jistotu, že bude n-uzlový model numericky stabilní. V nejbližší době to ale kvůli mnoha jiným požadavkům bohužel nebude.
Také jsem o tom přemýšlel, ale jednoznačnou odpověď bohužel neznám. V ASHRAE 140 jsou totiž jen popisy testovacích úloh a výsledky vybraných simulačních programů, přičemž není jasné, jak přesně který z programů funguje.
Příčina rozdílů může být i v tak zdánlivě jasné hodnotě, jakou je solární konstanta. Ta se postupně uvažovala jen od roku 1980 od 1370 do 1360 W/m2 (viz cs.wikipedia.org), což už samo o sobě může mít dostatečné dopady na výsledky (Energie používá solární konstantu 1370 W/m2 podle EN ISO 52016).
Mnohokrát Vám děkuji za komentáře #6 až #9. Já mám trochu obavy, aby se časem nezjistilo, že se například nějaké ustanovení ČSN EN ISO 52016-1 mylně interpretovalo a mylně se potřeba energie na vytápění a chlazení počítala. Problematika je velmi rozsáhlá a v ČR asi moc lidí nezajímá, což je škoda. Plně s Vámi však souhlasím v tom, že jsou před námi naléhavější problémy a otázky.
Také děkuji za zajímavé téma k diskusi. Máte pravdu, jde o poměrně složitou problematiku, která se na vědecké úrovni začala řešit někdy v 70. letech. Simulačních modelů v různé úrovni přesnosti vzniklo za ta léta více, přičemž v podstatě nelze říci, který je ten nejlepší, protože exaktní - analytické - řešení neumíme najít. Výsledky simulace tedy můžeme srovnat maximálně s výsledky jiné simulace. ASHRAE 140 nabízí v tomto směru asi maximum možného.
Bohužel nemám informace o tom, jak vznikala EN ISO 52016-1 a po jakých jednáních se dospělo k tomu, že bude obsahovat právě 5-uzlový model. Jde asi zas o nějaký kompromis, dohodu mezi více specialisty. Norma má v sobě řadu drobnějších chyb, z nichž se snad většinu podařilo opravit v rámci českého překladu. Nelze ale asi vyloučit, že jsou v tak rozsáhlém textu i nějaké další dosud neodhalené chyby.
