Sálavé vykurovacie systémy v budove s ľahkým obvodovým plášťom

Výskum ukázal, že pri správnej regulácii a optimálnom nastavení možno zabezpečiť tepelnú pohodu pri aplikácii všetkých hodnotených systémov. Cieľom štúdie bolo vyhodnotiť vplyv troch rôznych sálavých vykurovacích systémov na tepelnú pohodu v experimentálnej budove s presklenou fasádou. 

Pomocou simulačného programu TRNSYS sa do referenčnej zóny aplikovali tri reálne sálavé vykurovacie systémy – stropné vykurovanie, podlahové vykurovanie a tepelná aktivácia betónového jadra. Pri správnom nastavení zónovej regulácie indikujú výsledky podobný priebeh kriviek vnútorných teplôt, ktorý však ovplyvňujú klimatické podmienky daného dňa. Parametre prevádzky sa mierne líšia v závislosti od akumulačnej schopnosti a od času nábehu jednotlivého systému.

Nízkoenergetické sálavé vykurovacie systémy predstavujú aktuálny trend v oblasti vykurovania a chladenia budov. Vzhľadom na ich kompatibilitu so zariadeniami využívajúcimi obnoviteľné zdroje energie sú predurčené na inštaláciu v najmodernejších typoch administratívnych objektov, ale aj v rodinných či bytových domoch. Navyše, v porovnaní s klasickými konvekčnými vykurovacími telesami zabezpečujú rovnomernejšie rozloženie teploty v obytnej zóne a vyšší tepelný komfort [1]. Príspevok sa zaoberá vplyvom umiestnenia sálavých systémov na tepelnú pohodu v miestnosti.

Budova s ľahkým obvodovým plášťom

Referenčný objekt Energetikum (obr. 1) je súčasťou komplexu budov univerzity Fachhochschule Burgenland v Rakúsku. Od roku 2015, keď bol uvedený do prevádzky, sa využíva súčasne na výskum, ako aj na administratívne účely univerzity, v rámci ktorých slúži ako kancelársky priestor pre zamestnancov výskumu. Objekt bol navrhnutý na výskum vplyvu užívateľov na prevádzku budovy a vplyvu systémov techniky prostredia na vnútorné prostredie budovy, na výskumnú činnosť v oblasti obnoviteľných zdrojov a na sledovanie možností uskladnenia energie v mierke 1 : 1.

Obr. 1 Referenčný objekt Energetikum je súčasťou komplexu budov univerzity Fachhochschule Burgenland v Rakúsku.

Obvodový plášť budovy

Dvojposchodová budova má aplikované dva typy fasády vzhľadom na vylúčenie rizika vysokých tepelných strát počas vykurovacieho obdobia a na zabezpečenie penetrácie dostatku prirodzeného svetla. Presklené prvky fasády sú implementované v častiach obvodového plášťa orientovaných na juhozápad (JZ), severozápad (SZ) a na juhovýchod (JV), čiže tam, kde môžu solárne zisky znížiť potrebu energie na vykurovanie počas chladných mesiacov.

Vonkajšie žalúzie majú za úlohu zabrániť prehrievaniu interiéru v období s vysokými hodnotami slnečného žiarenia. Severovýchodná (SV) fasáda je navrhnutá zo železobetónových stien s tepelnou izoláciou s hrúbkou 160 mm. Všetky transparentné časti fasády (okná, presklené steny, vstupný portál) tvorí izolačné trojsklo. Súčiniteľ prestupu tepla jednotlivých prvkov sa pohybuje v rozmedzí od 0,79 do 1,10 W/(m² . K), a to v závislosti od pomeru zasklenej plochy k celkovej ploche povrchu komponentu.

Vykurovanie, chladenie, vetranie a klimatizácia v objekte

Ako primárny zdroj tepla a chladu pre objekt je inštalované tepelné čerpadlo zem – voda. Čerpadlo využíva energiu z energetických košov a sond umiestnených v okolí budovy a zo zemného kolektora umiestneného pod jej základmi. Tepelnému čerpadlu sekunduje plynový kondenzačný kotol, ktorý je v prevádzke počas období, keď energia zeme nedokáže pokryť tepelné straty objektu.

V budove sú inštalované tri nezávislé distribučné vykurovacie/chladiace systémy:

• podlahové vykurovanie/chladenie s rúrkami zaliatymi betónovou vrstvou, ktoré sú izolované od betónového jadra;
• tepelná aktivácia betónového jadra s rúrkami umiestnenými v strede betónového stropu;
• stropné sálavé vykurovanie s rúrkami uloženými tesne pod povrchom betónovej stropnej konštrukcie.

Keďže každý systém možno kontrolovať individuálne, všetky tri systémy sa môžu prevádzkovať samostatne alebo súčasne, a to v závislosti od aktuálnej potreby. Klimatizačná jednotka zabezpečujúca adiabatické chladenie a nútené vetranie objektu je inštalovaná v strojovni. Každá kancelária má individuálnu reguláciu výmeny vzduchu, ktorá je vybavená prívodnými a odvodnými obdĺžnikovými výustkami.

Simulácia referenčnej zóny s implementovanými nízkoteplotnými systémami

Za referenčnú zónu sa zvolila kancelária s presklenou fasádou nachádzajúca sa na druhom poschodí. Dôvodom bola vyhovujúca plocha (24,5 m²), obsadenosť (2 osoby) a orientácia s pomerne stabilnými solárnymi ziskami počas celého roka (JZ). V miestnosti prebiehajú zároveň merania parametrov vnútorného prostredia a inštalovaných systémov techniky budov, ktoré budú slúžiť na validáciu modelu. Dané referenčné obdobie (25. až 29. 3. TMY2 pre mesto Graz, obr. 2) sa zvolilo preto, že regulácia systémov je v tomto období najproblematickejšia.

Obr. 2 Klimatické podmienky – TRNSys weather data pre mesto Graz

Inštalované systémy a ich regulácia

Do simulačného modelu sa postupne implementovali tri vykurovacie systémy s parametrami reálne nainštalovaných systémov v miestnosti (tab. 1). V realite bežia všetky tri systémy simultánne na základe riadiaceho algoritmu od firmy SIEMENS. V simulačnom modeli bude ich vplyv na tepelnú pohodu vyjadrený počas ich individuálnej prevádzky.

PI regulátor sa použil na minimalizovanie kolísania teploty vnútorného vzduchu a jej udržiavanie okolo hodnoty 21 °C počas pracovného dňa a 16 °C počas nočného útlmu. Akčnou veličinou je teplota prívodu teplonosnej látky, ktorú možno zónovo regulovať trojcestným rozdeľovacím ventilom spájajúcim obtok a spiatočku.

Potrebná výmena vzduchu (maximálne 4 h-1) sa zabezpečuje núteným prívodom vzduchu a môže sa meniť v závislosti od koncentrácie CO₂ v miestnosti. Keďže počas dní s vysokými hodnotami slnečnej radiácie nastávalo aj vo vykurovacom období prehrievanie miestnosti, ventilácia sa použila aj na jej dochladzovanie. Teplotu privádzaného vzduchu bolo možné spojito meniť v rozmedzí od 17 do 21 °C.

Externé žalúzie s tieniacim súčiniteľom 0,2 sa automaticky ovládajú na základe intenzity slnečného žiarenia, čo prispieva k ochrane miestnosti pred nadmernými solárnymi ziskami.
Všetky regulačné stratégie a nastavované hodnoty sa aplikovali s prihliadnutím na skutočné možnosti systému, ktorého prevádzka sa dlhodobo monitorovala. Nastavenie kontrolných stratégií sa vybralo ako optimálne spomedzi štyroch variácií [2].

Výsledky počítačových simulácií

Všetky tri systémy dokážu zabezpečiť v simulovanom referenčnom období pri správnom nastavení regulácie a prevádzky systému tepelnú pohodu (obr. 3) [3]. Rozdiely v priebehu teplotnej krivky sú minimálne, sú však zaznamenané rozdiely vyplývajúce z odlišnej dĺžky nábehu systémov a rôznej akumulačnej schopnosti.

Obr. 3 Porovnanie kriviek teploty vnútorného vzduchu pri troch sálavých systémoch

Diskusia

V prípade podlahového vykurovania možno zaznamenať rýchlejší nábeh počas dňa s nízkymi solárnymi ziskami a nižšou teplotou. Pokles teploty v priebehu nočného útlmu je však výraznejší ako pri ostatných dvoch systémoch.

Čerpadlá sú v prevádzke počas 24 až 26 % referenčnej časovej periódy. Podlahové vykurovanie si vyžaduje najmenší čas prevádzky čerpadiel, v prípade aktivácie betónového jadra bola prevádzka čerpadla najspojitejšia, čo vyplýva z akumulačnej schopnosti systému (obr. 4). Teplota prívodu sa mierne líšila v závislosti od vonkajších podmienok. Tepelná aktivácia betónového jadra si najdlhšie udržiavala teplotu počas nočného útlmu, keď čerpadlá neboli v prevádzke a prietok v systéme bol nulový.

Obr. 4 Prevádzkové parametre troch sálavých systémov

Záver

Aplikácia sálavých vykurovacích systémov v objektoch s ľahkým obvodovým plášťom, kde solárne zisky výrazne ovplyvňujú tepelnú bilanciu v miestnostiach, sa často považuje za diskutabilnú. Napriek tomu výsledky simulácií indikujú pomerne dobrú tepelnú stabilitu referenčnej miestnosti, a to aj počas obdobia s nižšími teplotami vonkajšieho vzduchu a pomerne vysokými, avšak nestálymi hodnotami intenzity slnečného žiarenia. Pri správnej regulácii a optimálnom nastavení možno zabezpečiť tepelnú pohodu pri aplikácii všetkých hodnotených systémov – pri podlahovom vykurovaní, stropnom vykurovaní aj tepelnej aktivácii betónového jadra.

Práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. DS-2016-0030 a Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR v rámci grantu VEGA 1/0807/17.

Ing. Ema Némethová
Autorka pôsobí na Katedre TZB na Stavebnej fakulte STU v Bratislave.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Obrázky: autorka

Literatúra
1. Babiak, J. – Olesen, B. W., Petráš, D.: Low Temperature Heating and High Temperature Cooling. REHVA Guidebook No 7: Rehva Brussels, 2007.
2. Némethová, E. – Petráš, D. – Stutterecker, W. – Schoberer, T.: Indoor environment challenges in a new type office building – case study. In E-NOVA 2016: Internationaler Kongress. Nachhaltige Technologien. Pinkafeld, Österreich, 24. und 25. November 2016. 1. vyd. Graz : Leykam Buchverlagsgesellschaft, 2016, S. 177 – 187.
3. STN EN 15251: 2007 Vstupné parametre vnútorného prostredia na návrh a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov zamerané na kvalitu vnútorného vzduchu, tepelné prostredie, osvetlenie a hluk. 2008.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2017.