Ověření dynamické simulace tepelného chování budovy podle ASHRAE 140-2017

Kategorie » téma: Energie » Obecně

25.09.2022 14.19 | Zbyněk Svoboda | Komentáře: 11 komentářů | Přečteno: 21566x

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 příklady 600FF, 650FF, 900FF a 950FF
Modelová místnost pro úlohu 600 a navazující případy
Modelová místnost pro úlohu 620 a navazující
Modelová místnost pro úlohu 620 a navazující případy
Modelová místnost pro úlohu 630 a navazující
Modelová místnost pro úlohu 630 a navazující případy
MOdelová budova se zimní zahradou
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 dopadající sluneční energie
Roční množství sluneční energie procházející nestíněným oknem
Roční množství sluneční energie procházející nestíněným oknem
Roční množství sluneční energie procházející stíněným oknem
Roční množství sluneční energie procházející stíněným oknem
Průměrná roční propustnost slunečního záření okna
Průměrná roční propustnost slunečního záření okna
Roční stínící součinitel pro pevné stínící překážky u okna
Roční stínící součinitel pro pevné stínící překážky u okna
Roční potřeba tepla na vytápění pro místnost s lehkými konstrukcemi
Roční potřeba tepla na vytápění pro místnost s lehkými konstrukcemi
Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s lehkými konstrukcemi
Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s lehkými konstrukcemi
Potřebný výkon zdroje tepla na vytápění
Potřebný výkon zdroje tepla na vytápění pro místnost s lehkými konstrukcemi
Potřebný výkon zdroje chladu na chlazení 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 tepla na vytápění pro místnost s hmotnými konstrukcemi
Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s hmotnými konstrukcemi
Roční potřeba energie na chlazení pro místnost s hmotnými konstrukcemi
Potřebný výkon zdroje tepla na vytápění v místnosti 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
Potřebný výkon zdroje chladu na chlazení pro místnost s hmotnými konstrukcemi
Nejvyšší teplota vnitřního vzduchu během roku - režim free-float (bez TZB)
Nejvyšší teplota vnitřního vzduchu během roku - režim free-float (bez TZB)
Nejnižší 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)
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 potřeb energie na vytápění a chlazení pro stíněné a nestíněné okno
Vliv stínění jižního okna - rozdíl potřebného výkonu zdroje tepla/chladu pro stíněné a nestíněné okno
Vliv stínění jižního okna - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu pro stíněné a nestíněné okno
Vliv změny orientace oken - roční potřeby energie na vytápění a chlazení
Vliv změny orientace oken - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení pro orientaci oken J a V+Z
Vliv změny orientace oken - potřebný výkon zdroje tepla/chladu
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 pro stíněná a nestíněná okna
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 potřebného výkonu zdroje tepla/chladu pro stínění a bez něj
Vliv stínění západního a východního okna - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu se stíněním a bez něj
Vliv tlumeného vytápění - roční potřeba tepla na vytápění
Vliv tlumeného vytápění - rozdíl potřeb tepla na vytápění s útlumem a bez něj
Vliv tlumeného vytápění - rozdíl výkonu zdroje tepla s útlumem a bez něj
Vliv tlumeného vytápění - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla s útlumem a bez něj
Vliv nočního větrání - rozdíl potřeby energie na chlazení s nočním větráním a bez něj
Vliv nočního větrání - rozdíl potřeb energie na chlazení s nočním větráním a bez něj
Vliv nočního větrání - rozdíl potřebného výkonu zdroje chladu s nočním větráním a bez něj
Vliv nočního větrání - rozdíl potřebných výkonů zdroje chladu s nočním větráním a bez něj
Vliv zimní zahrady - rozdíl potřeby energie na vytápění a chlazení se zimní zahradou a bez ní
Vliv zimní zahrady - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení se zimní zahradou a bez ní
Vliv zimní zahrady - rozdíl poyžebného výkonu zdroje tepla/chladu 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 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 tepelné setrvačnosti - rozdíl potřebných výkonů zdroje tepla/chladu pro lehké a hmotné konstrukce
Vliv solární propustnosti jižního okna - rozdíl potřeb energie na vytápění a chlazení s průsvitným a neprůsvitným oknem
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
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 tepla na vytápění pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi
Potřeba energie na chlazení 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 tepla pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi
Potřebný výkon zdroje chladu 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 hmotnými konstrukcemi
Potřeba tepla na vytápění pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi
Potřeba energie na chlazení 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 tepla pro různé varianty místnosti s lehkými konstrukcemi
Potřebný výkon zdroje chladu 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
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
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 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 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 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 potřebných výkonů zdrojů chladu pro různé kombinace dvou stavů
Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění pro různé kombinace dvou stavů
Potřeby tepla na vytápění pro různé varianty hodnocené místnosti
Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na chlazení pro různé kombinace dvou stavů Vliv různých faktorů - rozdíly potřeb energie na vytápění pro různé kombinace dvou stavů
Potřeby energie na chlazení pro různé varianty hodnocené místnosti
Potřebné výkony zdroje tepla na vytápění 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
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 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 potřebných výkonů zdrojů tepla/chladu pro různé kombinace dvou stavů
Četnost výskytu teplot vnitřního vzduchu během roku
Četnost výskytu teplot vnitřního vzduchu během roku
Energie slunečního záření dopadající na jižní stěnu - jasná a zatažená obloha
Energie slunečního záření dopadající na jižní stěnu - jasná a zatažená obloha
Energie slunečního záření dopadající na západní stěnu - jasná a zatažená obloha
Energie slunečního záření dopadající na západní stěnu - jasná a zatažená obloha
Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného chladného dne - režeim free-float (bez TZB)
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)
Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného horkého dne - režim free-float (bez TZB)
Průběh potřeby energie na vytápění a chlazení během chladného jasného dne
Potřeba energie na vytápění a chlazení během chladného jasného dne - místnost s lehkými konstrukcemi
Průběh potřeby energie na vytápění a chlazení během chladného jasného dne
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:

#1 | Stašková Ivana » tepelné zisky ve výpočtu podle Energie 2023 při podtlakovém větrání

21.12.2022 11.40

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.

#2 | Zbyněk Svoboda » Zisky v protokolu a v PENB?

21.12.2022 12.38

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.

#3 | Chmela Zbyněk » Zvolený model

29.12.2022 12.33

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)?

#4 | Chmela Zbyněk » Roční množství dopadající sluneční energie

29.12.2022 12.38

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.

#5 | Zbyněk Svoboda » N-uzlový model versus 5-uzlový model

30.12.2022 18.45

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.

#6 | Zbyněk Svoboda » Numerická (ne)stabilita 1

30.12.2022 19.01

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.

#7 | Zbyněk Svoboda » Numerická (ne)stabilita 2

30.12.2022 19.03

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.

#8 | Zbyněk Svoboda » Numerická (ne)stabilita 3

30.12.2022 19.03

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.

#9 | Zbyněk Svoboda » Energie slunečního záření

30.12.2022 19.15

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).

#10 | Zbyněk Chmela » Poděkování a obavy

30.12.2022 21.26

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.

#11 | Zbyněk Svoboda » Simulační modely

30.12.2022 23.29

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.

Přidat komentář

 *
 *
 
 *

*) Povinné položky jsou označeny hvězdičkou.

Související weby:

www.kdata.cz - CAD software

www.kcad.cz - Stavební fyzika

www.datasystem.cz - Primární data

Stavební fyzika » Aktuality

03.11.2023 13.35 » Energie 2023.11 k dispozici.

V sekci ke stažení  na kcad.cz je pro uživatele Energie 2023 bezplatný update 2023.11.

31.08.2023 14.47 » Energie 2023.10 k dispozici

V sekci ke stažení  na kcad.cz je pro uživatele Energie 2023 bezplatný update 2023.10