Použitie nízkoteplotných sálavých systémov do staršieho objektu: Čo ukázala analýza?

Týždňové testovanie sálavých systémov vo vykurovacom režime ukázalo, že tieto systémy nepostačujú pre nezaizolované budovy postavené v minulom storočí.

Predmetom štúdie bolo laboratórne testovanie sálavých vykurovacích systémov a posúdenie ich správneho návrhu. Laboratórium je súčasťou administratívnej budovy vo vlastníctve SvF STU v Bratislave. Budova je nezateplená, postavená bola okolo roku 1950. Laboratórium tvoria tri rovnaké miestnosti orientované na severovýchodnú stranu, no s rozdielnymi okrajovými podmienkami.

Týždňové testovanie sálavých systémov vo vykurovacom režime prebehlo od 8. 1. 2024 (8:00 h) do 14. 1. 2024 (8:00 h). Zdrojom tepla bolo tepelné čerpadlo vzduch – voda umiestnené na streche budovy. Pre tri skúmané miestnosti sa vypočítal projektovaný tepelný príkon pri piatich alternatívach vonkajších výpočtových teplôt (–11, –5, 0, 5 a 13 °C).

Testovaním sa zistilo, že sálavé systémy nedokážu pokryť vypočítané tepelné straty pri žiadnej alternatíve vonkajšej výpočtovej teploty s výnimkou teploty 13 °C a pri 5 °C dokázal tepelné straty pokryť iba podlahový sálavý systém.

Každá budova je osobitá, preto si vyžaduje pozornosť aj návrh vlastných vykurovacích systémov. Ich správnej voľbe predchádza znalosť všetkých technických parametrov stavebných konštrukcií, skladby týchto konštrukcií, ale aj dispozičných rozmerov miestností a lokality objektu. Energetická bilancia objektu zahŕňa stanovenie tepelného príkonu (W, resp. kW) na určenie veľkosti zdroja tepla a príkonu sálavých vykurovacích sústav [7].

Jednou z možností pri návrhu vykurovania či chladenia je použiť veľkoplošné sálavé systémy na báze teplonosnej látky vody. 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 (tepelné čerpadlá, solárne kolektory, priemyselné odpadové teplo a pod.). V porovnaní s inými systémami poskytujú veľkoplošné sálavé systémy zásadne rovnomernejšie rozloženie teplôt vzduchu v interiéri.

Z hľadiska návrhu môžu byť tieto systémy integrované do steny, stropu alebo podlahy. Veľkou spoločnou výhodou všetkých troch technických riešení je, že sa dajú realizovať v rámci modernizácie, takže ich možno použiť pri obnove alebo rekonštrukcii budov [3, 6, 9]. Táto štúdia je zameraná na analýzu správneho návrhu veľkoplošných sálavých systémov (sálavá podlaha, strop a stena) v troch kancelárskych miestnostiach.

Technický popis budovy a výpočet tepelných strát

Pre správny výpočet tepelných strát a následný návrh vykurovacích systémov spolu so zdrojom tepla je potrebné dobre poznať technické parametre stavebných konštrukcií, dispozičné riešenie objektu a pod.

Budova a kancelárske miestnosti

Administratívna budova je situovaná v Bratislave, v časti Trnávka. Je dvojposchodová, do užívania bola daná okolo roku 1950, materiálom obvodových konštrukcií je pravdepodobne pálená tehla. Povrchová úprava obvodovej steny pozostáva z brizolitovej omietky s hrúbkou 5 mm.

Strecha je sedlová so sklonom 30°, neizolovaná, s tesnou krytinou. Dažďová voda je odvedená prostredníctvom strešného žľabu z pozinkovanej ocele a odpadových dažďových potrubí, takisto z pozinkovanej ocele. Nenosné deliace priečky sú z ytongu alebo pálenej tehly s hrúbkou 100 mm. Okná v budove sú plastové s izolačným dvojsklom. Technické parametre stavebných konštrukcií sú:

• obvodová konštrukcia (hrúbka 450 mm): U = 1,147 W/(m² . K),
• deliace priečky tehla (hrúbka 100 mm): U = 2,985 W/(m² . K),
• deliace priečky ytong (hrúbka 100 mm): U = 0,998 W/(m² . K),
• otvorové konštrukcie: okno (rozmer 1 160 × 2 100 mm): U = 1,30 W/(m² . K),
• dvere (rozmer 900 × 2 030 mm): U = 1,50 W/(m² . K).

Všetky tri riešené miestnosti majú obvodovú stenu SO1 orientovanú na severovýchod. Vo všetkých miestnostiach sa nachádzajú dve okná s izolačným dvojsklom. Vstupné dvere (D1) do miestností sú drevené, s rozmermi 1 970 × 800 mm. Na 1. NP pod miestnosťou 202.1 sa nachádza kancelária, ktorá je počas roka vykurovaná, a teda počítame s teplotou 20 °C.

Pod miestnosťou 202.2 a 203 je sklad – nevykurovaný priestor –, počítame s teplotou 15 °C . Deliace priečky SN1, SN2 a SN3 sú z pálenej tehly s hrúbkou 100 mm. Nenosná deliaca priečka SN4 je z ytongu s hrúbkou 100 mm (obr. 2). Miestnosť č. 202.1 z ľavej strany susedí s nevykurovaným priestorom (strojovňou), kde počítame s teplotou 15 °C. Z pravej strany je vykurovaná miestnosť č. 202.2. Miestnosť č. 202.2 z oboch strán hraničí s vykurovanými priestormi.

Miestnosť č. 203 susedí z ľavej strany s vykurovanou miestnosťou 202.2. Z pravej strany je nevykurovaná miestnosť s teplotou 15 °C. Všetky tri kancelárie susedia s chodbou, kde sa uvažuje s teplotou 15 ˚C, ich deliacou konštrukciou je priečka SN2. Konštrukciu stropu tvoria pravdepodobne osadené prefabrikované I profily, v ktorých sú vložky zo škvarobetónu, následne zaliate betónom. Strecha je neizolovaná, s tesnou krytinou, v priestore pod ňou počítame s teplotou –3 °C podľa platnej normy STN EN 12831-1 (obr. 2).

Výpočet projektovaného tepelného príkonu

Výpočet projektovaného tepelného príkonu na vykurovanie je základom pri návrhu vykurovacieho systému. Vplýva na výber typu a veľkosti zdroja tepla, voľbu vedenia distribučnej siete a na návrh koncových prvkov odovzdania tepla. Projektovaný tepelný príkon na vykurovanie sa počíta podľa STN EN 12 831 platnej od 1. 4. 2004 a revidovanej v rokoch 2012 a 2018. Celkový projektovaný tepelný príkon vychádza zo súčtu projektovaného tepelného príkonu pre jednotlivé vykurované priestory v objekte alebo v jeho časti [7].

Pri výpočte tepelného príkonu bol použitý grafický výpočtový software TechCON. Miestnosti kancelárií sú obklopené zväčša nevykurovanými priestormi. Kancelária 202.1, kde sa nachádza podlahové vykurovanie, má ako jediná pod sebou vykurovanú miestnosť. Všetky tri „laboratóriá“ majú jednu stenu patriacu fasáde a protiľahlú chodbe, kde je uvažovaných 15 ˚C. V nevykurovaných kanceláriách naokolo sa uvažuje takisto s teplotou 15 ˚C. Pri výpočte projektovaného tepelného príkonu sa počítalo s piatimi alternatívami výpočtových okrajových podmienok teploty vonkajšieho vzduchu, a to:

• vonkajšia výpočtová teplota pre lokalitu (Bratislava): –11 ˚C,
• rozpätie, keď tepelné čerpadlo pracuje najefektívnejšie : –5˚C, 0˚C, 5˚C,
• hraničná teplota vonkajšieho vzduchu, pri ktorej sa končí vykurovacia sezóna: 13 ˚C.

Miestnosť č.	Өint,i (°C)	Ai (m2)	Vi (m3)	nmin (1/h)	Vmin,i (m3/h)	Өe (-11 °C)	Өe (-5 °C)	Өe (0 °C)	Өe (5 °C)	Өe (13°C)
						ΦHL,i (W)	ΦHL,i  (W)	ΦHL,i (W)	ΦHL,i (W)	ΦHL,i (W)
Kancelária č. 202.1	20	20,0	27,7	0,5	28,9	1 885	1 490	1 193	896	421
Kancelária č. 202.2	20	21,1	60,7	0,5	30,4	1 859	1 470	1 177	884	415
Kancelária č. 203	20	19,9	57,4	0,5	28,7	1 846	1460	1 169	878	413
Spolu:						5 591	4 420	3 540	2 658	1 249

Tab. 1 Projektovaný tepelný príkon pre ϴ_e = –11, –5 , 0 , 5 a 13 °C

V tab. 1 vidíme vypočítané hodnoty projektovaného tepelného príkonu pre jednotlivé kancelárske miestnosti pri vonkajšej teplote –11, –5, 0, 5 a 13 °C.

Veľkoplošné sálavé systémy v kombinácii s tepelným čerpadlom

Do každej kancelárskej miestnosti boli navrhnuté veľkoplošné nízkoteplotné sálavé systémy. Do kancelárie č. 202.1 bol navrhnutý podlahový sálavý systém, do miestnosti č. 202.2 stropný sálavý systém a do miestnosti č. 203 stenový sálavý systém. Ako zdroj tepla pre tieto systémy bolo navrhnuté tepelné čerpadlo typ vzduch – voda s menovitým výkonom 6 kW, ktoré bolo umiestnené na streche objektu približne 5 m od technickej miestnosti.

Technická miestnosť a tepelné čerpadlo

Na 2. NP je samostatná technická miestnosť, ktorá slúži na zber dát z experimentálnych meraní, nachádza sa v nej jednotka SMO S40 a rozvodná podružná skriňa elektrického rozvádzača. Na meranie spotreby elektrickej energie bol k tepelnému čerpadlu zapojený certifikovaný impulzný typ elektromeru LE-01d MI D od firmy Firn elektro, s. r. o.

Pre merané obdobie sa zvolil automatický režim regulácie tepelného čerpadla, ktorý využíval ekvitermickú krivku na výpočet požadovanej prívodnej teploty teplonosnej pracovnej látky. Pre experimentálne merania bolo ako súčasť riešenia s nízkoteplotnými sálavými systémami navrhnuté tepelné čerpadlo vzduch – voda od firmy NIBE, typ F2040-6 (ďalej len TČ).

Ide o inverterovo riadenú jednotku, pracovný rozsah TČ je od –20 do 43 °C s maximálnou výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 58 °C [2]. V letných mesiacoch je TČ možné využiť aj na chladenie pomocou jeho reverzného chodu.

Kancelárska miestnosť č. 202.1 – podlahový sálavý systém

V miestnosti č. 202.1 s rozmermi 3,48 × 5,76 m (20 m²) a so svetlou výškou 3,0 m bol nainštalovaný suchý veľkoplošný sálavý podlahový systém Siccus do dvoch okruhov s rozstupom rúrok (Comfort Pipe PLUS Φ14 x 2,0 mm) 150 mm a so sálavou plochou 15 m² (obr. 3) [1, 3, 4].

Kancelárska miestnosť č. 202.2 – stropný sálavý systém

V miestnosti č. 202.2 s rozmermi 3,66 × 5,79 m (20 m²) a so svetlou výškou 3,0 m bol nainštalovaný veľkoplošný stropný sálavý systém Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Φ 9,9 × 1,1 mm, ktorý pozostával z ôsmich panelov Uponor Renovis 2 000 × 625 mm so sálavou plochou 10 m² (obr. 4) [1, 3, 4].

Kancelárska miestnosť č. 203 – stenový sálavý systém

V miestnosti č. 203 s rozmermi 3,46 × 5,75 m (20 m²) a so svetlou výškou 3,0 m bol nainštalovaný veľkoplošný stenový sálavý systém Uponor Renovis s rúrkou Uponor PE-Xa Φ 9,9 × 1,1 mm, ktorý pozostával takisto z ôsmich panelov Uponor Renovis 2 000 × 625 mm so sálavou plochou 10 m² (obr. 5) [1, 3, 4].

Meracie prístroje

Na experimentálne overenie prevádzky sálavých systémov vo vykurovacom režime sa využili snímače teploty PT100 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. Snímačmi PT 100 sa merali teploty v prívodnom a vo vratnom potrubí. Snímače boli zapojené do meracej ústredne Keysight DAQ970A.

Termosnímky boli vytvorené v Ti 32 FLUKE [3]. Na každej sálavej vykurovacej ploche v miestnostiach 202.1, 202.2 a 202.3 so sálavými systémami bol umiestnený snímač tepelného toku typ FQA017CSI (obr. 3, 4 a 5) s presnosťou merania ± 5 % nameranej hodnoty, ktorý umožňoval merať tepelné toky vo W/m².

Analýza prevádzky navrhnutých vykurovacích sálavých systémov vo vykurovacom režime

Počas týždňa od 8. 1. do 14. 1. 2024 boli overené tri sálavé systémy v režime vykurovania. Skúmal sa veľkoplošný podlahový sálavý systém v kancelárskej miestnosti 201.1, veľkoplošný stropný sálavý systém v miestnosti 202.2 a veľkoplošný stenový sálavý systém v miestnosti 203. Merala sa teplota v prívodnom a vo vratnom potrubí a tepelné toky veľkoplošných sálavých systémov.

Experimentálne meranie prevádzky sálavých systémov

Teplotu vody v prívodnom potrubí zabezpečovala riadiaca jednotka tepelného čerpadla SMO S40. Od začiatku meraní bola nastavená ekvitermická krivka č. 5, pri ktorej malo tepelné čerpadlo zabezpečiť pri vonkajšej teplote –11 °C teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia 38 °C. Počiatočný návrhový teplotný spád predstavoval 38/33 °C. V stredu 10. 1. 2024 o 9:00 h bola nastavená krivka č. 7, pri ktorej malo tepelné čerpadlo zabezpečiť pri vonkajšej teplote –11 °C teplotu teplonosnej pracovnej látky do prívodného potrubia 45 °C.

Návrhový teplotný spád bol od tohto momentu 45/40 °C. Na obr. 6 vidieť na grafe na primárnej osi priebeh teploty vody v prívodnom potrubí červenou krivkou a priebeh teploty vody vo vratnom potrubí modrou krivkou. Maximálna teplota v prívodnom potrubí bola 42,80 °C, najnižšia teplota bola 26,70 °C. Priemerná stredná teplota vykurovacej vody počas tohto dňa predstavovala 35,29 °C (obr. 6).

Na sekundárnej osi vidieť priebeh teploty vonkajšieho vzduchu znázornený zelenou krivkou. Najnižšia teplota vzduchu bola zaznamenaná medzi 6:00 a 8:00 h, a to –7,90 °C. Najvyššia teplota bola zaznamenaná o 13:25 h, a to 0,60 °C. Priemerná teplota vonkajšieho vzduchu bola –4,13 °C. Na obr. 7 sú znázornené priebehy tepelných tokov jednotlivých sálavých systémov (podlahový, stropný a stenový systém) v čase od 8. 1. 2024, 8:00 h, do 14. 1. 2024, 8:00 h.

Zelenou krivkou je znázornený priebeh tepelných tokov stenového systému, modrou krivkou priebeh tepelných tokov stenového systému a oranžovou krivkou priebeh tepelných tokov podlahového sálavého systému. Dňa 10. 1. 2024 dobre vidieť zmenu vo výkonoch, keď bola prestavená ekvitermická vykurovacia krivka z č. 5 na č. 7 – tepelné čerpadlo začalo dodávať do systémov vody s vyššou teplotou, čím sa zvýšili aj výkony jednotlivých sálavých systémov.

Analýza návrhu veľkoplošných sálavých systémov

Na obr. 8 je oranžovou krivkou znázornený priebeh výkonov podlahového sálavého systému. Tieto výkony sú prepočítané z tepelných tokov nameraných snímačmi tepelných tokov vo W/m² na príslušnú sálavú plochu sálavého systému. Sálavá plocha podlahového systému bola 15 m² a sálavé plochy stropného a stenového systému mali 10 m². Vypočítaný potrebný príkon pri vonkajších výpočtových teplotách je znázornený na obr. 8, 9 a 10 tmavozelenou krivkou pre –11˚C, fialovou krivkou pre –5˚C, ružovou krivkou pre 0˚C, červenou krivkou pre 5˚C a hnedou krivkou pre 13˚C.

Z grafu na obr. 8 možno konštatovať, že podlahový sálavý systém by bol postačujúci na pokrytie potrebného tepelného príkonu miestnosti len pri vonkajšej výpočtovej teplote 13˚C, čiastočne aj pri 5˚C a v niektorých časových úsekoch aj pri 0 °C.

Na obr. 9 je znázornený modrou krivkou priebeh výkonov stropného sálavého systému. Môžeme konštatovať, že stropný sálavý systém by bol postačujúci na pokrytie potrebného tepelného príkonu miestnosti len pri vonkajšej výpočtovej teplote 13˚C.

Na obr. 10 je zelenou krivkou znázornený priebeh výkonov stenového sálavého systému. Môžeme konštatovať, že stenový sálavý systém by bol postačujúci na pokrytie potrebného tepelného príkonu miestnosti len pri vonkajšej výpočtovej teplote 13 ˚C a v niektorých časových úsekoch aj 5 °C.

Priemerné výkony vykurovacích sálavých systémov

Na obr. 11 je znázornené porovnanie všetkých troch sálavých systémov: modrý stĺpec – podlahový sálavý systém, oranžový stĺpec – stropný sálavý systém, zelený stĺpec – stenový sálavý systém. Hodnoty výkonov vykurovacích systémov zobrazujú priemernú hodnotu príkonu sústav od 8. 1. do 14. 1. 2024. Výkony sálavých systémov sú prepočítané z tepelných tokov nameraných snímačmi tepelných tokov vo W/m² na príslušnú sálavú plochu sálavého systému.

Jednotlivé priamky zobrazujú potrebný príkon vykurovacieho systému na pokrytie tepelných strát pri vonkajších výpočtových teplotách, tmavozelená čiarkovaná – potrebný príkon pre vonkajšiu teplotu –11 ˚C, žltá čiarkovaná – potrebný príkon pre vonkajšiu teplotu –5 ˚C, fialová čiarkovaná – potrebný príkon pre vonkajšiu teplotu 0 ˚C, zelená čiarkovaná – potrebný príkon pre vonkajšiu teplotu 5 ˚C, hnedá čiarkovaná – potrebný príkon pre vonkajšiu teplotu 13 ˚C.

Z grafu je zrejmé, že pri daných technických parametroch budovy nie sú vykurovacie systémy schopné pokryť potrebný príkon všetkých vonkajších výpočtových teplôt s výnimkou 13 °C a čiastočne 5 °C. Jediná vyhovujúca vonkajšia teplota je 13˚C a pri podlahovom sálavom systéme čiastočne aj 5˚C a v niektorých časových úsekoch aj 0 °C.

Na obr. 12 sú infračervené snímky všetkých troch miestností s tromi rôznymi sálavými systémami v režime vykurovania. Veľmi dobre vidieť rovnomerné homogénne rozloženie teplôt na celej sálavej ploche všetkých troch systémov.

Záver

Na základe experimentálneho skúmania troch sálavých systémov od 8. 1.2024 (8:00 h) do 14. 1. 2024 (8:00 h) možno konštatovať, že sálavé systémy sú prevádzkované vo vykurovacom režime spoľahlivo a že ekvitermická regulácia zabezpečuje v spolupráci s tepelným čerpadlom pružné reakcie výkonov vykurovacích sálavých systémov.

Najväčšie vykurovacie výkony dosahuje podlahový sálavý systém, nasleduje stenový sálavý systém a stropný sálavý systém [2]. Skúmalo sa, či je v kancelárskych miestnostiach pri alternatívnych vonkajších výpočtových teplotách –11, –5, 0, 5, 13 ˚C možné pokryť vypočítaný tepelný príkon navrhnutými vykurovacími systémami. Experiment a merania ukázali, že veľkú úlohu pri výpočte a dosiahnutí požadovaných tepelných príkonov zohrávajú technické parametre budovy.

Z výpočtov projektovaného tepelného príkonu pri rôznych alternatívach teploty vonkajšieho vzduchu a testovania prevádzky sálavých vykurovacích systémov možno konštatovať, že podlahový sálavý systém dokáže pokryť projektovaný tepelný príkon pri vonkajšej výpočtovej teplote 13 °C, čiastočne aj pri 5 °C, avšak sálavý stropný a stenový systém iba pri 13 °C.

Vykurovacie systémy nedokázali pokryť vypočítaný projektovaný tepelný príkon aj vzhľadom na technické parametre stavebných konštrukcií – súčinitele prechodu tepla ,,U“. Jeho vyššie hodnoty (napr. okná, ale aj fakt, že budova je nezateplená a niektoré susediace miestnosti boli nevykurované) mali za následok zvýšenie nárokov na prevádzku sálavých vykurovacích systémov. Dá sa teda konštatovať, že nízkoteplotné vykurovacie systémy sú vhodné do nových alebo kompletne zrekonštruovaných a zateplených budov.

Porovnaním sme došli k záveru, že systémy nepostačujú pre nezaizolované budovy postavené v minulom storočí. Do úvahy treba zobrať aj okrajové podmienky miestností pod kanceláriami a tiež to, že priestory vedľa kancelárií 202.1 a 203 sú nevykurované. Aj chodba, ktorá vedie do miestností, je počas roka nevykurovaná. V čase výstavby budovy sa nekládol dôraz na tepelnotechnické vlastnosti materiálov pri vyhotovení stropu. Obvodové murivo je bez dodatočného zateplenia.

V budúcnosti by bolo vhodné toto meranie zopakovať v zrekonštruovanom objekte a porovnať jednotlivé výpočty a merania.

Tento výskum podporila Slovenská agentúra pre výskum a vývoj na základe zmluvy č. APVV-21-0144 a Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0475/24. Ďakujeme spoločnostiam UPONOR, s. r. o., PAVJAN, s. r. o., EPITREND, s. r. o., SAMDO, s. r. o., a FLEXIM, s. r. o., za podporu.

TEXT: Ing. Martin Šimko, PhD., Bc. Soňa Ňuňuková, Bc. Laura Teplanová
OBRÁZKY: autori

Článok bol uverejnený v časopise TZB 3/2024