Ověření obecného hodinového výpočetního modelu podle normy ASHRAE 140-2017

Nově zpracovaný obecný hodinový výpočetní model pro analýzu dynamického tepelného chování místnosti, který je součástí programu Simulace 2018, byl detailně verifikován podle americké normy normy ASHRAE 140-2017. Jedním z důvodů provedení kontrolních výpočtů bylo také to, že nový výpočetní model bude tvořit jádro výpočtu energetické náročnosti budov s hodinovým krokem v některé z budoucích verzí programu Energie.

Pro testování programu Simulace byly použity příklady BESTEST 600FF, 900FF, 650FF a 950FF - tedy všechny, které se týkají "free float" režimu (provoz bez zdrojů tepla a chladu). Pro ověření výpočtu sluneční radiace a vlivu stínění markýzami a bočními stěnami byly k tomu navíc částečně zpracovány i příklady BESTEST 610 a 630.

Modelová místnost používaná ve verifikačních příkladech má jednoduchý tvar hranolu půdorysných rozměrů 6x8 m a výšky 2,7 m. V jižní stěně jsou dvě velká okna s čirým dvojsklem. Místnost nemá žádné vnitřní konstrukce. Vnější stěny a střecha jsou v kontaktu s venkovním vzduchem a podlaha se zeminou. Ta je nicméně záměrně natolik silně tepelně izolovaná, že její tepelné propojení se zeminou je prakticky nulové.

Modelová místnost pro příklady 600FF, 650FF, 900FF a 950FF

Obalové konstrukce místnosti se uvažují ve dvou variantách: lehké a hmotné se skladbami předepsanými v ASHRAE 140. Zároveň se uvažuje dvojí režim větrání místnosti: s konstantní intenzitou a s proměnnou intenzitou větrání (nižší přes den, vyšší v noci). Kombinací uvedených možností vznikají čtyři verifikační příklady pro režim „free float“:

• 600FF … lehké konstrukce, konstantní intenzita větrání
• 900FF … těžké konstrukce, konstantní intenzita větrání
• 650FF … lehké konstrukce, proměnná intenzita větrání
• 950FF … těžké konstrukce, proměnná intenzita větrání.

Pro jednotlivé řešené příklady se určují maximální, minimální a průměrné roční teploty vnitřního vzduchu a průběhy teploty vnitřního vzduchu během jasného zimního (4.1.) a letního (27.7.) dne.

Kromě toho se pro příklad 600FF ještě stanovuje množství sluneční energie dopadající za rok na jednotlivé stěny, množství sluneční energie procházející oknem a průběhy intenzity slunečního záření pro jižní a západní stěnu během zataženého (5.3.) a jasného (27.7.) dne. Pro příklad 900FF se navíc vykresluje graf četnosti výskytu teploty vnitřního vzduchu během roku.

Markýza pro příklad 610

Přesnost výpočtu stínění okna pevnými překážkami se ověřuje verifikačními příklady 610 (markýza s vyložením 1 m nad jižně orientovanými okny) a 630 (stejná markýza a stejně přesahující boční stěny u západně orientovaného okna).

Pro oba příklady bylo programem Simulace stanoveno pouze roční množství sluneční energie procházející skrz stíněné okno do interiéru. Ostatní požadované výsledky (např. potřeba tepla na vytápění) nebyly vzhledem k zaměření programu počítány.

Markýza a boční stěny pro příklad 630

Norma ASHRAE 140 uvádí kromě výše popsaného zadání i výsledky příkladů zpracované osmi různými mezinárodními simulačními programy (ESP, BLAST, DOE-2, SRES, SRES-SUN, S3PAS, TASE a TRNSYS), z nichž lze odvodit, v jakém rozmezí se mohou výsledky pohybovat. Norma nicméně nespecifikuje, jaká je maximální přípustná odchylka výsledků testovaného programu od publikovaných rozmezí.

Aby bylo možné zpracovat verifikační příklady, které se bez výjimky týkají celého ročního cyklu, musel být standardní výpočetní modul programu Simulace následujícím způsobem upraven:

• přidáno bylo načítání předepsaných ročních klimatických dat z formátu TMY
• nad stadardním denním výpočetním cyklem byl vytvořen ještě nadřazený roční výpočetní cyklus
• upraven byl tisk výsledků výpočtu.

Následující grafy ukazují postupně výsledky jednotlivých verifikačních příkladů získané jak programem Simulace, tak ostatními simulačními programy uvedenými 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

Nejvyšší roční hodinová teplota vnitřního vzduchu

Nejnižší roční hodinová teplota vnitřního vzduchu

Průměrná roční hodinová teplota vnitřního vzduchu

Četnost výskytu teplot vnitřního vzduchu během roku

Intenzita slunečního záření vypočtená pro jižně orientovanou stěnu v zatažený a jasný den

Intenzita slunečního záření vypočtená pro západně orientovanou stěnu v zatažený a jasný den

Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného chladného dne (4. ledna)

Průběh teploty vnitřního vzduchu během jasného horkého dne (27. července)

Celkem bylo provedeno 25 testů s jednou výslednou hodnotou. Výsledky programu Simulace se pohybují v rozmezích uvedených normou ASHRAE 140 ve dvaceti případech z tohoto počtu. Odchylka zbylých pěti výsledků od obvyklého intervalu kolísá od 0,2 do 3,1 %.

Výsledkem dalších devíti testů byl průběh sledované veličiny (četnost teplot vnitřního vzduchu, intenzita slunečního záření, teplota vnitřního vzduchu). Z grafů je patrné, že průběhy získané programem Simulace jsou obdobné či shodné jako ostatní publikované průběhy.

Zbyněk Svoboda