Používanie izolačných dosiek z recyklovaného technického textilu na pasívne chladenie budov
Časopis TZB Haustechnik 
Využitie odparovania kvapaliny zo strechy predstavuje dostupnú a účinnú metódu zníženia tepelnej záťaže budov.
Vzhľadom na výrazný nárast spotreby energie sa vývoj udržateľných a energeticky účinných chladiacich systémov pre budovy stáva aktuálnou výzvou. Masívne používanie klimatizačných systémov nielenže zvyšuje dopyt po energii, ale produkuje aj značné emisie skleníkových plynov, čím poškodzuje životné prostredie.
Pasívne chladenie predstavuje v tejto súvislosti perspektívne riešenie, ktoré sľubuje spoločnosti kumulatívne výhody: energetické, environmentálne aj ekonomické. V článku uvádzame stručný prehľad metód pasívneho chladenia a opisujeme plánovaný experiment na určenie účinnosti izolačných panelov STERED pri ich použití v systémoch odparovacieho chladenia.
Budovy v Európe spotrebujú približne 30 % všetkej vyrobenej energie, čím sa stávajú druhým najväčším sektorom v spotrebe energie po sektore dopravy. Podľa správy IEA bude spotreba energie rásť o 1,5 % ročne, preto je nevyhnutné implementovať v budovách účinné technológie energetickej účinnosti s cieľom znížiť celkové emisie uhlíka [1].
Spotreba energie v budovách súvisí s osvetlením, varením, so skladovaním, zábavou a s chladením/vykurovaním priestorov. Bežné systémy vykurovania, vetrania a klimatizácie (HVAC) používané na chladenie/vykurovanie priestorov spotrebúvajú obrovské množstvo elektrickej energie a sú zodpovedné za škodlivé emisie skleníkových plynov.
S používaním klimatizácie sa spája niekoľko významných problémov. Patrí medzi ne výrazný nárast spotreby energie v budovách, čo vedie k zvýšenému špičkovému zaťaženiu elektrickou energiou a následným problémom pri zabezpečovaní dopytu. Klimatizácia navyše prispieva k environmentálnym problémom vrátane emisií chladív, ktoré negatívne ovplyvňujú úroveň ozónu a globálnu klímu.
Spotreba energie chladiacich systémov zvyšuje aj emisie CO2. Napokon, klimatizačné systémy môžu pri nesprávnom používaní zhoršovať kvalitu vzduchu v interiéri v dôsledku znečistenia komponentov, ako sú ventilátory a filtre. Táto kontaminácia môže vyvolať rast zárodkov a chorôb, čo predstavuje zdravotné riziko pre obyvateľov.
Chladenie priestoru možno dosiahnuť zlepšením výkonu striech, ktoré predstavujú 20 – 25 % plochy mesta. Zo všetkých komponentov obvodového plášťa budov sú strechy jedným z kľúčových elementov, ktoré významne prispievajú k energetickým požiadavkám na chladenie aj vykurovanie, a to najmä v nízkopodlažných obytných budovách.
Zo štúdií vyplýva, že miestnosti na vyšších podlažiach spotrebúvajú na vnútorný tepelný komfort viac energie ako miestnosti na iných podlažiach v dôsledku veľkých strát pri vykurovaní alebo chladení spojených so strechami.
V miestnostiach na horných poschodiach sa 40 % energie spotrebuje na kompenzáciu tepelných strát cez strechu [2], v jednopodlažnej budove možno takmer 50 % tepelných strát pripísať streche [3]. Preto sú potrebné dostatočné technológie na zmenšenie negatívneho vplyvu na priestory vyšších poschodí, ktoré by sa mohli uplatniť nielen pri výstavbe nových budov, ale aj pri obnove existujúcich budov.
Metódy pasívneho chladenia
Pasívne chladenie budov môže výrazne prispieť k riešeniu uvedených problémov. Túto technológiu možno rozdeliť do dvoch skupín:
- riešenia zamerané na zvýšenie tepelných strát budovy (konvekcia, vyparovanie),
- riešenia zamerané na zníženie tepelných ziskov (tieniace konštrukcie, vetranie strechy, používanie okien s nízkou priepustnosťou slnečného žiarenia, lepšia izolácia budov, zelené strechy, aplikácia reflexných materiálov na povrchu strechy).
Pri projektovaní nových budov je použitie uvedených metód prakticky neobmedzené. Pri obnove budov však existuje mnoho obmedzení, či už stavebných, technických alebo finančných. Príkladom môže byť zelená strecha, ktorá slúži na ochranu pred slnečným žiarením. Nevýhodou pri nej je vysoká vstupná investícia, keďže strešná konštrukcia musí byť dodatočne spevnená, aby vydržala dodatočnú hmotnosť pôdy, vegetácie, zavlažovacieho systému a údržby.
Pre ďalšiu analýzu je preto vhodné upriamiť pozornosť na niekoľko metód, ktoré sú perspektívne z hľadiska ich uplatnenia pri obnove budov, a to aplikáciu reflexných materiálov na povrch strechy a odparovanie kvapaliny zo strechy.
Biele a reflexné strechy
Nabielo maľované strechy a reflexné strechy predstavujú tradičné spôsoby, ako znížiť absorpciu a prenos slnečného žiarenia do konštrukcie budovy prostredníctvom materiálov s vysokou odrazivosťou slnečného žiarenia. V porovnaní s klasickými tmavými strešnými materiálmi (napr. bitúmen), ktoré majú nízku slnečnú odrazivosť (SR ≈ 0,05), môžu mať špeciálne „chladné“ povrchy slnečnú odrazivosť viac ako 0,85 (napr. farby na báze aerogélu [4]). Niektoré štúdie ukazujú, že táto technológia môže znížiť spotrebu energie na chladenie o 5 – 20 % [5].
Túto technológiu však nemožno použiť v každom klimatickom regióne. Hlavnou nevýhodou je zníženie tepelných ziskov zo slnečného žiarenia počas vykurovacej sezóny, čo má za následok zvýšenú potrebu energie na vykurovanie. V teplých a horúcich klimatických oblastiach sú straty pri vykurovaní často nižšie ako zisky pri chladení, takže chladné strechy sú ekonomicky efektívnym riešením v regiónoch s dlhým obdobím chladenia.
Odparovacie chladenie
Jednou zo známych metód chladenia povrchu strechy, ktorá znižuje tepelné zaťaženie budovy, je odparovacie chladenie. Počas dažďa alebo umelého zavlažovania strechy absorbuje pórovitý stavebný materiál určité množstvo vody v závislosti od jeho schopnosti ju zadržiavať. Voda absorbovaná materiálom sa potom molekulárnou difúziou presúva na povrch a vyparuje sa vplyvom slnečného žiarenia, nedostatočnej vlhkosti, teploty okolia a rýchlosti vetra.
Pri tomto procese sa uvoľňuje latentné teplo vyparovania, čo vedie k ochladzovaniu povrchu. Na vyhodnotenie výkonnosti rôznych systémov odparovacieho chladenia sa vykonali rôzne experimentálne, numerické a simulačné analýzy. Od začiatku 40. až 60. rokov 20. storočia sa vo viacerých výskumoch zaznamenalo, že použitie strešného chladiaceho systému s rozprašovaním môže znížiť chladiace zaťaženie klimatizačného systému o 25 %.
Vedci tiež zdôraznili, že rozprašovanie vody je najúčinnejšou metódou pre budovy s veľkými strešnými plochami v porovnaní s inými odkrytými plochami, ako sú napríklad jednopodlažné závody – na rozdiel od viacpodlažných kancelárskych budov [6].
Odparovacie chladenie sa považuje za pasívnu metódu, ktorá môže byť užitočná v rôznych klimatických zónach – nielen v horúcich a suchých oblastiach, kde sa pôvodne používala, ale aj v miernych a prímorských oblastiach [7].
Materiál podporujúci proces odparovania vody
Jedným z dôležitých faktorov ovplyvňujúcich výkonnosť odparovacích chladiacich systémov je materiál podporujúci proces odparovania vody. Vykonalo sa mnoho štúdií, v ktorých sa testovali stavebné aj textilné materiály, ako sú jutové tkaniny, bavlnené uteráky, PVC špongiové siete, keramické a stavebné materiály.
Vyplynulo z nich, že textilné materiály majú v porovnaní so stavebnými materiálmi oveľa vyšší koeficient absorpcie vody a pomer odparenej vody k hmotnosti suchej vzorky. Výsledky pomeru odparenej vody k absorbovanej vode vykazujú podobnú úroveň. Okrem toho majú textilné materiály široký rozsah hodnôt, ktoré prevyšujú hodnoty stavebných materiálov [8].
Na trhu existuje niekoľko komerčných riešení strešných krytín s vodným postrekom. Jedným z nich je systém WhiteCap od spoločnosti Roof Science Corporation. Systém WhiteCap je k dispozícii v troch základných konfiguráciách, z ktorých každá zahŕňa rúrkovú mriežku a trysky na rozstrekovanie vody nainštalované na povrchu strechy a pripojené k systému na čerpanie a filtráciu vody (obr. 1).
Počas chladiaceho obdobia sa voda v noci rozprašuje po streche a ochladzuje sa odparovaním a vyžarovaním do atmosféry. Ochladená voda sa uskladňuje na neskoršie použitie v procese chladenia budovy, čo vedie k mnohým rôznym konfiguráciám systému WhiteCap v závislosti od spôsobov uskladnenia a použitia vody.
Opis plánovaného experimentu
V rámci plánovaného experimentu sa bude skúmať možnosť použitia izolačných dosiek STERED v odparovacom chladiacom systéme. Ide o produkt spracovania a následného zhodnotenia zmesového odpadu syntetických technických textílií, z ktorých sa vyrábajú jednotlivé časti konštrukcie automobilu, ako aj syntetických technických kobercov, najmä z administratívnych a bytových priestorov, na finálny výrobok.
Výrobca odporúča použitie dosiek STERED (obr. 2) na zelené strechy, pretože sú schopné dlhodobo udržiavať obsah vody a zabezpečiť jej distribúciu po ploche inštaláciou kvapkovej závlahy. Štruktúra syntetického materiálu vo zväzku má schopnosť nielen zadržiavať vodu, ale pri nízkom difúznom odpore materiálu zabezpečiť aj jej vzlínanie pre postupné odparovanie, čo je veľkou výhodou pri systémoch odparovacieho chladenia.
V rámci experimentu sa z OSB dosiek postaví testovacia bunka s rozmermi 2 × 2 m. Vonkajší plášť bunky bude izolovaný extrudovaným polystyrénom. Skladba strechy (obr. 3) bude pozostávať z plechu, parozábrany, tepelnej izolácie z extrudovaného polystyrénu a z hydroizolácie z PVC fólie Fatrafol 810. Zvolená skladba zodpovedá typickej strešnej konštrukcii veľkých nízkopodlažných budov, ako sú obchodné centrá.
Vnútri bunky bude nainštalované chladiace cirkulačné zariadenie, tzn. mobilná klimatizácia, ktorá bude vnútri udržiavať konštantnú teplotu o 7 až 10 K nižšiu, ako je vonkajšia teplota. Na meranie spotreby energie na chladenie bude k elektrickej sieti pripojený fakturačný merač spotreby energie. V tepelnej izolácii strechy budú nainštalované snímače teploty – dva snímače na hraniciach izolácie a jeden snímač v strede izolácie.
Na povrchu strechy bude nainštalovaný pyranometer na meranie intenzity slnečného žiarenia. Teplotný snímač bude nainštalovaný aj vnútri bunky. Všetky uvedené snímače budú pripojené k dataloggeru MicroStep SAWS 111, ktorý umožní snímať údaje zo snímačov v nastavenom intervale. Na posúdenie vplyvu rýchlosti vetra bude slúžiť aj meteorologický anemometer, ktorý bude inštalovaný v blízkosti. Experimentálna bunka bude na účely meraní inštalovaná na streche jednej z budov STU.
Merania sa budú vykonávať pri teplom počasí s vonkajšou teplotou vzduchu vyššou ako 25 °C. V rámci experimentu sa budú merať údaje o teplote v strešnej konštrukcii, o intenzite slnečného žiarenia a spotrebe energie mobilnej klimatizačnej jednotky na udržiavanie konštantnej teploty v stojane pri rôznych podmienkach, konkrétne:
- V prvej fáze sa merania vykonajú pre bežnú strechu, ktorá nie je pokrytá žiadnymi ďalšími materiálmi.
- V druhej fáze sa bude strecha postrekovať vodou v časovom intervale, ktorý sa stanoví bližšie k začiatku
- V tretej fáze sa povrch strechy pokryje vodovzdornou bielou
- Vo štvrtej fáze sa povrch strechy pokryje doskami Tie sa v časovom intervale, ktorý sa stanoví bližšie k začiatku experimentu, navlhčia vodou.
Údaje získané počas experimentu sa použijú na vytvorenie simulačného modelu vo výpočtovom systéme (napr. TRNSYS alebo EnergyPlus), ktorý umožní otestovať účinnosť vybraných riešení na skutočných budovách.
Záver
Množstvo výziev súvisiacich so spotrebou energie a zmenou klímy zaväzuje stavebný sektor v Európe aktívne hľadať udržateľné a energeticky účinné riešenia. Zavádzanie účinných technológií energetickej efektívnosti sa stáva rozhodujúcim vzhľadom na rastúcu spotrebu energie v budovách a jej súvislosť s emisiami skleníkových plynov.
Pri navrhovaní nových budov neexistujú prakticky žiadne obmedzenia týkajúce sa implementácie pasívnych metód chladenia. Pri modernizácii existujúcich budov sa však vzhľadom na technické, konštrukčné a finančné obmedzenia javia ako osobitne sľubné len niektoré metódy. Použitie reflexných materiálov na povrchu strechy a využitie odparovania kvapaliny zo strechy predstavujú dostupné a účinné metódy zníženia tepelnej záťaže budov.
V dôsledku plánovaného experimentu možno očakávať, že cenné vedecké údaje prispejú k vývoju účinnejších systémov chladenia odparovaním a udržateľných materiálov. Tieto výsledky môžu zohrávať kľúčovú úlohu pri zlepšovaní energetickej účinnosti a udržateľnosti budov v budúcnosti.
Literatúra
- Conti, J., Holtberg, P., Diefenderfer, J., LaRose, A., Turnure, JT., Westfall, L.: International Energy Outlook 2016 With Projections to 2040; 2016. doi:10.2172/1296780.
- Gao ,Y., Shi, D., Levinson, R., Guo, R., Lin, C., Ge, J.: Thermal performance and energy savings of white and sedum-tray garden roof: A case study in a Chongqing office building. Energy Build. 2017; 156: 343 – 359. doi:10.1016/J.ENBUILD.2017.09.091.
- Nahar, NM., Sharma, P., Purohit, MM.: Performance of different passive techniques for cooling of buildings in arid regions. Build Environ. 2003; 38(1): 109 – 116. doi:10.1016/S0360-1323(02)00029-X.
- De Masi, RF., Festa, V., Ruggiero, S., Vanoli, GP.: Thermal behaviour of a cool roof Aerogel- based: summer and autumn in-field campaign in a full-scale test-room. Solar Energy. 2023; 259: 298 – 319. doi:10.1016/J.SOLENER.2023.05.033.
- Simpson, JR., McPherson, EG.: The effects of roof albedo modification on cooling loads of scale model residences in Tucson, Arizona. Energy Build. 1997; 25(2): 127 – 137. doi:10.1016/S0378-7788(96)01002-X.
- Tiwari, , Kumar. A., Sodha. MS.: A review—Cooling by water evaporation over roof. Energy Convers Manag. 1982; 22(2): 143 – 153. doi:10.1016/0196-8904(82)90036-X.
- Costelloe, B., Finn, D.: Thermal effectiveness characteristics of low approach indirect evaporative cooling systems in buildings. Energy Build. 2007; 39(12): 1235 – 1243. doi:10.1016/J.ENBUILD.2007.01.003.
- Pires, L., Silva, PD., Castro Gomes, JP.: Performance of textile and building materials for a particular evaporative cooling purpose. Exp Therm Fluid Sci. 2011; 35(4): 670 – 675. doi:10.1016/J.EXPTHERMFLUSCI.2010.12.017.
- http://www.stered.sk/
- https://www.mdm.sk/
TEXT: Ing. Valerii Kudriashov, prof. Ing. Michal Krajčík, PhD.
FOTO: Ing. Valerii Kudriashov, prof. Ing. Michal Krajčík, PhD., iStock
