Přirozené vytápění historických objektů

Historická horská chalupa s charakteristickou masivní kamennou konstrukcí obvodového zdiva se stala součástí výzkumu, který se zaměřuje na teploty, vlhkost a vytápění historických objektů.

Za účelem stanovení počátečních podmínek v objektu byl proveden dlouhodobý monitoring teploty a relativní vlhkosti v interiéru i exteriéru. Naměřená data posloužila jako základ pro kalibraci numerického modelu, který ve zjednodušené podobě funguje na fyzikálních principech zachování energie. V tomto modelu byl pak aplikován vhodný algoritmus pro přívod venkovního vzduchu sledující teploty vzduchu, povrchové teploty a teploty rosného bodu, a tím také stanovení vlivu na zvýšení teploty vzduchu v interiéru. Příspěvek si dává za cíl poukázat pomocí případové studie na možnosti a limity regulace teploty vzduchu v historických objektech s masivní konstrukcí pomocí adaptivního větrání.

Historických objektů je mnoho druhů a zpravidla vyžadují zcela odlišný přístup k jejich udržování, kde zejména kulturní významnost bude hrát zásadní roli. V případě, že se nejedná o objekt s vysokou historickou hodnotou, lze převést regulaci parametrů vnitřního mikroklimatu nejen na interiér samotný, ale také na uživatele.

Charakteristickým rysem objektů s masivní konstrukcí je jejich velká akumulace tepla (resp. chladu), která má často dopad na uživatele v podobě nepříznivě nízkých teplot v objektu. Problém této setrvačnosti povrchových teplot může představovat kondenzace vzdušné vlhkosti, a to zejména na jaře, kdy je povrchová teplota stále nízká a teplý vzduch v exteriéru vlhký. Nicméně problém s vlhkostí může nastat i v létě nebo na podzim, v závislosti na klimatických podmínkách. Přísun venkovního vzduchu do objektu může vést k žádoucímu zvýšení teploty, na druhou stranu může vést k nepříznivým účinkům, ať již zmíněné kondenzace, nebo značných výkyvů relativní vlhkosti [1, 2, 3].

V takovém případě se nabízí myšlenka adaptivního větrání, které bere v úvahu změny teploty a vlhkosti interiéru a exteriéru a na základě vyhodnocení okamžitého stavu doporučí zajištění přísunu čerstvého vzduchu. Adaptivní větrání samozřejmě nenahrazuje plnohodnotnou klimatizaci, která je využívaná pro přesné řízení prostředí, ale snaží se zlepšit podmínky vnitřního prostředí v objektech.

Popis objektu

Předmětem řešení je poloroubená chalupa v Podkrkonoší, která není trvale využívána. Studie se zaměřila na kamennou část (viz. obr. 1a), která je převážně orientovaná na sever a vyznačuje se masivní obvodovou konstrukcí s vysokou akumulací tepla. Místnost je přirozeně větraná netěsnými okny a trvale vykazuje nízké teploty vzduchu.

Obr. 1 a) Schéma půdorysu	Obr. 1 b) Pohled z jižní strany na objekt

Numerický model

Zjednodušený numerický model pracuje na principu regresní metody. Ta je obvykle používána v případech, kdy je známé chování budovy, ale část vstupních parametrů chybí. Na základě naměřených dat byl model kalibrován pro období v délce 7 dní a poté ověřen s dalšími naměřenými daty [4].

Výpočet závisle proměnných veličin T_i a T_m byl stanoven na principu tepelné rovnováhy. Ten vychází ze zákona zachování energie a říká, že tepelné toky musí být vždy v rovnováze s celkovou tepelnou energií prostoru. Výpočet hledané veličiny xi zohledňuje množství venkovní vlhkosti a schopnost materiálu pohltit vlhkost. Vzhledem k náročnosti celé problematiky týkající se akumulace vlhkosti ve zdivu byl tento parametr stanoven regresní metodou z naměřených dat jako funkce relativní vlhkosti vzduchu. Tento předpoklad byl dále ověřen v software DesignBuilder, který generoval shodné hodnoty se zjednodušeným numerickým modelem.

Pro správnou funkci modelu je zásadní zvolení vhodného časového kroku, kdy je nutné, aby časový interval nebyl příliš dlouhý. Popisovaný model pracuje s pětiminutovým krokem, který odpovídá časovému kroku dat získaných z dataloggerů při monitoringu objektu. V současné době model neumí vypočítat skutečnou intenzitu výměny vzduchu vlivem přirozeného větrání a je pouze nastaven na dva módy („close“: 0,2 h-1, nebo „open“: 4,5 h-1). Stanovení intenzity výměny vzduchu na základě rozdílů teplot a účinku větru je předmětem dalšího vývoje modelu.

Výsledky kalibrace

Grafy (obr. 2), (obr. 3) ukazují výsledky kalibrace modelu pro období 11.–17.5. 2017. Výsledky teploty vzduchu jsou shodné s naměřenými hodnotami, a to i ve všech dalších obdobích, které byly po kalibraci ověřeny. Drobné odchylky mohou být způsobeny prouděním vzduchu ze sousední roubené místnosti, která má menší akumulační schopnost a je ovlivněna slunečním zářením. Hodnoty měrné vlhkosti vykazují přijatelné odchylky. Tyto rozdíly lze přisoudit značnému zjednodušení rozsáhlé problematiky akumulace vlhkosti do zdiva.

Obr. 2: Porovnání naměřených a vypočtených hodnot teploty vzduchu v interiéru

Obr. 3 Porovnání naměřených a vypočtených hodnot měrné vlhkosti v interiéru

Okrajové podmínky algoritmu větracího režimu

Definice okrajových podmínek za účelem zvýšení teploty vzduchu, kde je zásadní zabránění kondenzaci teplého vzduchu na prochladlých zdech, lze definovat:
– Teplota T_i < T_e ˄ T_i < 25 ↔ „OPEN“
– Kondenzace T_{r, i} > T_p ↔ „CLOSE“

Výsledky

Grafy na obr. 4 znázorňují tři možné stavy větrání: trvale „close“ (infiltrace), trvale „open“ (větrání) a adaptivní režim větrání pro tři období padesáti dní. Jednotlivá období byla vybrána tak, aby pokryla rozsah venkovních teplot od velmi nízkých, pohybujících se pod bodem mrazu (prosinec a leden), přes hodnoty lehce nad nulou (březen a duben), po vyšší hodnoty teploty mezi 10–20 °C (květen a začátek června).

Obr. 4 Porovnání různých modů větrání pro jednotlivá období (zima, přechodné, začátek letního). Graf větrání (červené a zelené pozadí) zobrazuje, kdy došlo ke zvýšení přísunu venkovního vzduchu v případě adaptivního větrání.

Výsledky numerického modelu naznačují příznivý efekt adaptivního větrání na teplotu interiéru lišící se oproti běžnému stavu až 5 °C v každém ze sledovaných období. V případě teplejších období se může předpokládaný rozdíl teplot pohybovat až kolem 10 °C. Celkové zvýšení teploty vzduchu je patrné z tab. 1, která znázorňuje průměrné teploty interiéru během jednotlivých stavů a sledovaných období.

Závěr

V příspěvku byl popsán případ aplikace adaptivního větrání, které vede ke zvýšení teploty vzduchu v interiéru. Výsledky získané z numerického modelu potvrdily příznivý efekt při aplikaci vhodného algoritmu a správného načasování přísunu venkovního vzduchu.

Nicméně je nutné vzít v úvahu, že výše uvedené okrajové podmínky větrání nejsou všeobecně vhodné pro každý typ historické budovy. V případě, že bude předmětem zájmu záchrana historického interiéru, je nutné zahrnout další nezbytné podmínky týkající se měrné vlhkosti a zejména výkyvů relativní vlhkosti.

Dle předpokladu nelze od adaptivního větrání očekávat zásadní změnu parametrů vnitřního prostředí, přesto výsledky numerického modelu ukazují nezanedbatelné zlepšení, a to s minimální vloženou energií.

Ing. arch. Michala Lysczas, prof. Ing. Karel Kabele, Csc.
Autoři působí na stavební fakultě ČVUT, na katedře TZB, v Praze.

Obrázky: archiv autorů

Poděkování
Tato práce byla podpořena programem Competence Centres programme of the Technology Agency of the Czech Republic, projekt No. TE02000077 „Smart Regions – Buildings and Settlements Information Modelling, Technology and Infrastructure for Sustainable Development“ a interním grantem SGS ČVUT v Praze.

Literatura
[1] FILIPPI, M., Remarks on the green retrofitting of historic buildings in Italy, Energy and Buildings 95 (2015), 15 – 22
[2] ČERNÝ, M., NĚMEČEK, M., Mikroklima v historických interiérech, Národní památkový ústav – odborné a metodické publikace 2011
[3] ASHRAE, Museum, libraries, and archives, ASHRAE Applications Book (SI), chapter 21, 2007
[4] KINDLER, E., KŘÍVÝ, I., Simulace a modelování, Ostravská univerzita – výuková skripta 2011

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2018.