Laboratórium na testovanie veľkoplošných sálavých systémov
Okrem iného sa bude overovať, či kombinácia tepelného čerpadla s veľkoplošnými sálavými systémami umožní znížiť prevádzkové náklady a tvorbu skleníkových plynov.
Článok opisuje budovanie laboratória na testovanie veľkoplošných sálavých systémov. Nachádza sa v priestoroch SvF STU v Bratislave na Trnávke. Laboratórium pozostáva z technickej miestnosti a ďalších troch miestností, v ktorých sú rozličné veľkoplošné sálavé systémy. Umožňuje testovať podlahový, stropný a stenový sálavý systém. Zdrojom tepla/chladu je tepelné čerpadlo vzduch – voda, ktoré je umiestnené na streche objektu.
Článok podáva informácie o možnostiach experimentálneho overovania spomínaných sálavých systémov v spojitosti s tepelným čerpadlom. Jednou z možností je posudzovanie kvality vnútorného prostredia, ďalšiu možnosť predstavuje energetická bilancia prevádzky sálavých systémov v režime vykurovania aj chladenia a v neposlednom rade je to overovanie efektívnosti tepelného čerpadla vzduch – voda v spojitosti s veľkoplošnými sálavými systémami.
Jednou z možností pri návrhu vykurovania/chladenia je použitie veľkoplošných sálavých systémov na báze vody ako teplonosnej látky. Veľkoplošné sálavé systémy sú obzvlášť vhodné v kombinácii s obnoviteľnými zdrojmi energie, poskytujú vysoký citeľný výkon a môžu sa používať na vykurovanie aj na chladenie.
Veľkoplošné sálavé vykurovanie predstavuje nový trend pri návrhu vykurovania obytných miestností aj s ohľadom na nízky teplotný rozdiel medzi teplotou vzduchu v miestnosti a teplotou vykurovacej plochy, ktorý umožňuje využívať obnoviteľné zdroje energie, ako sú tepelné čerpadlá, solárne kolektory, priemyselné odpadové teplo a podobne. V porovnaní s inými systémami poskytujú tieto systémy zásadne rovnomernejšie rozloženie teplôt vzduchu v interiéri.
Z hľadiska umiestnenia môžu byť integrované do steny, stropu alebo do podlahy. Veľkou výhodou je, že všetky tri technické riešenia sa dajú realizovať v rámci modernizácie, takže ich možno použiť pri obnove alebo rekonštrukcii budov [1, 2, 3, 4].
Niekoľko štúdií priamo porovnáva stenové, resp. stropné vykurovanie s inými alternatívami vykurovania priestorov – napríklad z hľadiska spotreby energie a prevádzkových nákladov, ako aj menovitého výkonu zdroja tepla [1, 5]. V jednej zo štúdií sa odporúča uprednostniť stenové vykurovanie pred podlahovým vykurovaním, pretože je možné dosiahnuť lepší tepelný výkon a komfort s nižšou teplotou vody, čím sa zníži spotreba energie [6].
Počítačové simulácie potvrdili, že stenové vykurovanie je schopné vytvoriť príjemné vnútorné prostredie v dobre izolovanej miestnosti [7]. Skúmal sa aj prenos tepla v stenovom vykurovacom systéme s kapilárnymi rohožami umiestnenými pod povrchom a izolovanými od nosnej konštrukcie a takisto sa preukázalo, že stenové vykurovanie môže byť dobrou alternatívou [8].
Súčasný výskum sa zameriava na porovnanie vplyvu uvedených troch sálavých systémov (podlahový, stropný a stenový) na vnútornú klímu budov. Všetky sú konštrukčne riešené ako súčasť dodatočnej montáže suchým spôsobom, čo môže v praxi predstavovať ich veľkú výhodu. Zdrojom tepla je tepelné čerpadlo vzduch – voda. Porovnanie je spracované počas jedného zimného dňa od 10. 2. 2023 do 11. 2. 2023.
Návrh sálavých systémov
Experimentálne merania sa uskutočnili v administratívnej budove v priestoroch SvF STU v bratislavskej Trnávke v troch miestnostiach so severovýchodnou orientáciou s rovnakými okrajovými podmienkami. Systémy boli testované v prevádzke vykurovania (obr. 1).
Inštalované sálavé systémy
V miestnosti číslo 202.1 bol nainštalovaný suchý veľkoplošný sálavý podlahový systém Siccus do dvoch okruhov s rozstupom rúrok 150 mm (rúrky Comfort Pipe PLUS Ø 14 × 2,0 mm) a so sálavou plochou 15 m2.
V miestnosti číslo 202.2 bol nainštalovaný veľkoplošný stropný sálavý systém Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Ø 9,9 × 1,1 mm, ktorý pozostával z ôsmich panelov Uponor Renovis 2 000 × 625 mm s celkovou sálavou plochou 10 m2.
V miestnosti číslo 203 bol nainštalovaný veľkoplošný stenový sálavý systém Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Ø 9,9 × 1,1 mm, ktorý takisto pozostával z ôsmich panelov Uponor Renovis 2 000 × 625 mm s celkovou sálavou plochou 10 m2. Zdrojom tepla a chladu bolo tepelné čerpadlo vzduch – voda F2040-6.
Budovanie veľkoplošného sálavého podlahového systému
Na obr. 2 vidieť jednotlivé kroky budovania suchého veľkoplošného podlahového systému Uponor Siccus, konkrétne inštaláciu rúrok Uponor comfort pipe plus Ø 14 × 2,0 mm do systémovej dosky a inštaláciu snímačov povrchových teplôt. Na obr. 3 je znázornený model tohto veľkoplošného suchého podlahového systému.
V danej miestnosti boli na sálavej ploche podlahového systému rozmiestnené snímače povrchových teplôt typu PT100 CRZ-2005-100-A-1-Ni a snímač tepelného toku typu FQA017CSI s presnosťou v rozsahu ± 5 % nameranej hodnoty. Plán rozmiestnenia snímačov povrchových teplôt a snímača tepelného toku je znázornený na obr. 3 vpravo.
Budovanie veľkoplošného sálavého stropného systému
Na obr. 4 vidieť stavebné kroky budovania veľkoplošného suchého stropného systému Uponor Renovis pod pôvodnú stropnú konštrukciu. Konkrétne ide o realizáciu konštrukcie z CD profilov pre panely Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Ø 9,9 × 1,1 mm a takisto prívodného a vratného potrubia zapojeného „Tichelmanom“ pre panely Uponor Renovis.
Na obr. 4 vidieť zároveň inštaláciu snímačov povrchových teplôt typu PT100 CRZ-2005-100-A-1-Ni a finalizáciu suchého veľkoplošného stropného systému inštalovaného pod pôvodnou stropnou konštrukciou. Model veľkoplošného suchého stropného systému je znázornený na obr. 5.
V tejto miestnosti boli na sálavej ploche stropného systému rozmiestnené snímače povrchových teplôt typu PT100 CRZ-2005-100-A-1-Ni a snímač tepelného toku typu FQA017CSI s presnosťou v rozsahu ± 5 % nameranej hodnoty. Plán rozmiestnenia snímačov povrchových teplôt a snímača tepelného toku je znázornený na obr. 5 vpravo.
Budovanie veľkoplošného sálavého stenového systému
Na obr. 6 vidieť stavebné kroky budovania veľkoplošného suchého stenového systému Uponor Renovis, konkrétne konštrukciu z CD profilov pre panely Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Ø 9,9 × 1,1 mm. Stenový sálavý systém sa inštaloval na pôvodnú konštrukciu steny. Na obr. 6 vidieť aj rozmiestnenie snímačov povrchových teplôt a snímača tepelného toku. Stenový systém bol zapojený do dvoch okruhov Tichelmanovým zapojením.
Model veľkoplošného suchého stenového systému je na obr. 7. V tejto miestnosti boli na sálavej ploche stenového systému rozmiestnené snímače povrchových teplôt typu PT100 CRZ-2005-100-A-1-Ni a snímač tepelného toku typu FQA017CSI s presnosťou v rozsahu ± 5 % nameranej hodnoty. Plán rozmiestnenia snímačov povrchových teplôt a snímača tepelného toku je znázornený na obr. 7 vpravo.
Možnosti experimentálneho overovania
Laboratórium na testovanie veľkoplošných sálavých systémov umožňuje experimentálne overovanie z hľadiska kvality vnútorného prostredia, energetickej bilancie prevádzky systémov v zimnom aj letnom období a efektívnosti prevádzky zdroja tepla/chladu v zimnom aj letnom období.
Kvalita vnútorného prostredia
Laboratórium umožňuje experimentálne overovať a porovnávať tepelno-vlhkostné podmienky v jednotlivých miestnostiach s veľkoplošnými sálavými systémami, a to v režime vykurovania aj chladenia.
Snímače teploty PT100 (obr. 8) s neistotou merania v rozsahu ± (0,15 + 0,002 * |T|), kde T je nameraná teplota s odporúčanou pracovnou teplotou v rozsahu –50 až 400 °C, sú rozmiestnené na povrchoch vo vybraných bodoch sálavých plôch na každom type sálavého systému (obr. 3, 5 a 7). To umožňuje merať prípustné povrchové teploty pri prevádzke jednotlivých sálavých systémov v režime vykurovania aj chladenia [1].
Snímače teploty PT100 sú zapojené do meracej ústredne Keysight DAQ970A. Snímače sú rozmiestnené v strede každej miestnosti so sálavými systémami v rôznych výškových úrovniach (0,03 m; 0,1 m; 0,6 m; 1,1 m; 1,7 m a 2,5 m) [1, 9], čo umožňuje merať teplotné profily v miestnostiach pri podlahe, vo výške členkov, vo výške kolien, v oblasti hlavy sediacej osoby, v oblasti hlavy stojacej osoby a v blízkosti stropu.
Laboratórium umožňuje merať teplotu vnútorného vzduchu, relatívnu vlhkosť aj koncentrácie CO2 pomocou datta logerov COMET U3430 a výslednú teplotu vzduchu pomocou guľového teplomeru.
Energetické bilancie sálavých systémov v režime vykurovania/chladenia
Laboratórium umožňuje experimentálne overovať a porovnávať systémy aj z hľadiska ich výkonov v režime vykurovania aj chladenia. Na každej sálavej ploche je umiestnený snímač tepelného toku typ FQA017CSI (obr. 9) s presnosťou merania ± 5 % nameranej hodnoty, ktorý umožňuje merať tepelné toky vo W/m2.
Na fasáde je umiestený pyranometer (obr. 9), ktorý umožňuje merať intenzitu slnečného žiarenia vo W/m2. Na každom rozdeľovači/zberači daného veľkoplošného systému je integrovaný merač tepla UH/UC T330 (obr. 9), ktorý umožňuje merať spotrebu tepla/chladu veľkoplošnými sálavými systémami.
Efektívnosť zdroja tepla/chladu v zimnom aj letnom období
Laboratórium umožňuje experimentálne overovať efektívnosť prevádzky tepelného čerpadla (obr. 10) v spojitosti s veľkoplošnými sálavými systémami v režime vykurovania aj chladenia.
Na tepelnom čerpadle je umiestnený snímač teploty BT 28 (Tho-A), ktorý umožňuje merať teplotu vonkajšieho vzduchu a je napojený na riadiacu jednotku SMO 20 (ekvitermická regulácia, obr. 10). Súčasťou tepelného čerpadla sú snímač teploty BT12, ktorý umožňuje merať teplotu vody v prívodnom potrubí a snímač teploty BT 3, ktorý umožňuje merať teplotu vody vo vratnom potrubí.
Súčasťou systému je impulzný elektromer LE-01d MID (obr. 10), ktorý umožňuje merať spotrebu elektrickej energie tepelným čerpadlom. Merače tepla UH/UC T330 sú napojené na PLC zariadenie (obr. 10), ktoré slúži na prenos signálov z meračov tepla (M-Bus komunikácia). Spomínanými meracími zariadeniami možno namerať a následne vypočítať tzv. sezónny výkonnostný faktor SPF (Seasonal Performance Factor) a porovnať ho s tzv. výkonovým číslom COP (Coefficient of Performance), ktoré udáva výrobca pre letné aj zimné obdobie.
Záver
Článok ukazuje budovanie laboratória na súčasné testovanie veľkoplošných sálavých podlahových, stropných a stenových systémov. Súčasťou laboratória je tepelné čerpadlo vzduch – voda ako zdroj tepla/chladu, ktorý na výrobu tepla/chladu využíva obnoviteľný zdroj energie – teplotu vzduchu.
Kombinácia tepelného čerpadla s veľkoplošnými sálavými systémami by mohla umožniť znížiť prevádzkové náklady na priaznivú úroveň a súčasne tak znížiť tvorbu skleníkových plynov. Veľkoplošné sálavé systémy možno vďaka tepelnému čerpadlu vzduch – voda testovať v prevádzke vykurovania aj chladenia.
Experimentálne overovanie veľkoplošných sálavých systémov v spojitosti s tepelným čerpadlom bude prebiehať z viacerých pohľadov. V prvom rade z pohľadu kvality vnútorného prostredia, ďalej z pohľadu energetickej bilancie prevádzky veľkoplošných sálavých systémov v režime vykurovania a chladenia a v neposlednom rade sa overovanie zameria na efektívnosť prevádzky tepelného čerpadla v spojitosti s veľkoplošnými sálavými systémami.
Všetky tri veľkoplošné sálavé systémy majú v spojitosti s tepelným čerpadlom významný potenciál na vytvorenie veľmi dobrej tepelnej pohody v zime aj v lete. V blízkej budúcnosti by bolo vhodné tieto systémy overiť v prevádzke vykurovania a chladenia aj pri rôznych okrajových podmienkach.
Literatúra
- Babiak, J. – Olesen, B. W. – Petráš, D.: Low temperature heating and high temperature cooling. Rehva Guidebook No 7. 3rd revised ed. Brussels: Rehva; 2013, p. 108.
- Krajčík, M. – Arici, M. – Šikula, O. – Šimko, M.: Review of water-based wall systems: Heating, cooling, and thermal barriers. Energy and Buildings. vol. 253 (2021).
- Krajčík, M. – Šimko, M. – Šikula, O. – Szabó, D. – Petráš, D.: Thermal performance of a radiant wall heating and cooling system with pipes attached to thermally insulating bricks. Energy and Buildings. vol. 246 (2021).
- Romaní, J. – Pérez, G. – de Gracia, A.: Experimental evaluation of a cooling radiant wall coupled to a ground heat exchanger. Energy Build 2016, s. 484 – 490.
- Mikeska, T. – Svendsen, S.: Study of thermal performance of capillary micro tubes integrated into the building sandwich element made of high performance concrete. Appl Therm Eng 2013, s. 576 – 584.
- STN EN ISO 7726. Ergonomics of the thermal environment. Instruments for measuring quantities. (ISO 7726: 1998). 2023.
TEXT A OBRÁZKY: Ing. Martin Šimko, PhD., prof. Ing. Dušan Petráš, PhD., Mgr. Daniel Szabó
