Spôsob riadenia vykurovacích sústav v závislosti od ich vlastností

Pri návrhu spôsobu riadenia výkonu energetického systému je dôležitý výber a umiestnenie jednotlivých prvkov riadiaceho obvodu a celková stratégia riadenia. Ešte predtým je však potrebné špecifikovať vlastnosti energetického systému, ako je jeho dynamické správanie, spôsob hydraulického zapojenia, režim prevádzky a požiadavky na kvalitu vnútorného prostredia definovanú legislatívnymi predpismi.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Teplota vzduchu vo vnútornom priestore je jedným zo základných parametrov tepelnej pohody, ktorý je zabezpečovaný vykurovacím alebo chladiacim systémom.

K zmene teploty vzduchu dochádza v rôznych prípadoch: pri pôsobení poruchových veličín, ako sú tepelné zisky, kolísaním teploty vykurovacej vody, prestavením jej žiadanej hodnoty zásahom človeka alebo v dôsledku vopred stanoveného časového programu regulátora.

Hlavnou úlohou riadiaceho systému je udržať teplotu vzduchu v priestore na požadovanej hodnote, a to prostredníctvom riadenia výkonu energetického systému – to znamená riadením teploty teplonosnej látky alebo riadením prietoku teplonosnej látky.

V súčasnosti zažívajú renesanciu stropné vykurovacie a chladiace systémy, ktoré predstavujú modernú alternatívu vytvárania vnútornej klímy budov.

Faktory ovplyvňujúce výber spôsobu riadenia

Faktory, ktoré je potrebné pri voľbe spôsobu riadenia stropného vykurovacieho a chladiaceho systému vziať do úvahy, sú tieto:

• konštrukčné vyhotovenie stropnej plochy,
• spôsob prevádzky stropného vykurovacieho a chladiaceho systému,
• hydraulické zapojenia stropných systémov,
• požiadavky na teplotu teplonosnej látky.

Konštrukčné vyhotovenie stropnej plochy

Rýchlosť reakcie energetického systému na zásah riadiaceho systému priamo súvisí s jeho dynamickými vlastnosťami. Tieto závisia od konštrukčného vyhotovenia (druh materiálu, skladba a hrúbka jednotlivých vrstiev, ich objemová hmotnosť a merná tepelná kapacita), od objemu vody a od dopravného oneskorenia teplonosnej látky (čas, za ktorý teplonosná látka prekoná vzdialenosť od miesta zásahu regulátora po vykurovaciu plochu alebo teleso). Ďalej budú opísané základné konštrukčné vyhotovenia stropov, ktoré sa používajú na vykurovanie a chladenie interiérov.

Základnou časťou stropného systému sú rozvodné rúrky tvoriace registre, ktoré sú zabudované priamo v stavebnej konštrukcii stropu a tvoria jej súčasť, alebo sú oddelené a pripevnené ku konštrukcii stropu ako jednoliata plocha, alebo vo forme panelov. Ak je teplovýmenná plocha súvislá a vzduch z interiéru ju obteká len z prednej časti, hovoríme o veľkoplošných stropných systémoch, ktoré sa označujú ako uzavreté. Tieto systémy sa považujú za sálavé.

Ak sa stropný systém realizoval s otvormi alebo medzerami medzi jednotlivými teplovýmennými plochami, vzduch z interiéru ich obteká aj zo zadnej časti a dostáva sa až k stropnej konštrukcii. Tieto systémy sa označujú ako otvorené. Z hľadiska odovzdávania tepla sa radia medzi konvekčné.

Systémy so zabudovanými registrami sa často označujú aj ako masívne stropy a môžeme ich rozdeliť na dve skupiny (obr. 1a, 1b):

1. systém s rúrkami zabudovanými v masívnej stavebnej konštrukcii,
2. systém s rúrkami zabudovanými v spodnej časti stropnej konštrukcie.

Systémy inštalované pod stropnou konštrukciou sa často označujú ako ľahké stropy. Ide o panely pripevnené k stropnej konštrukcii alebo zavesené pod stropom na závesoch, na ktorých sú pripevnené rúrky. V porovnaní s masívnymi stropmi sa vyznačujú podstatne rýchlejšou reakciou na zásah riadiaceho systému. Reakcia na regulačný zásah sa pohybuje od 30 minút do 2 hodín. Vyhotovenie môže byť väčšinou takéto (obr. 1c až 1f):

• podomietkový systém,
• aktívne sadrokartónové dosky s integrovanými rúrkami,
• panely umiestnené v podhľade,
• lamelové stropy.

Dynamiku energetického systému možno vyjadriť prostredníctvom časovej konštanty ako pomer tepla akumulovaného vo vykurovacom telese/ploche k jeho tepelnému výkonu. V tabuľke sú na porovnanie uvedené hodnoty časovej konštanty pre niektoré typy vykurovacích telies, resp. plôch.

Tab. Časová konštanta niektorých typov vykurovacích telies/plôch [4, 5]

Najvhodnejším typom pre kombinovaný systém vykurovania a chladenia sú uzavreté stropy vďaka najväčšiemu podielu sálavej zložky tepelného toku.

Spôsob prevádzky stropného vykurovacieho a chladiaceho systému

Stropný systém môže byť navrhnutý takto:

1. iba pre jeden režim – iba na vykurovanie alebo chladenie;
2. pre dva režimy – na vykurovanie a chladenie, ale tieto režimy sa nemôžu prevádzkovať súčasne, prepínajú sa centrálne podľa aktuálneho obdobia;
3. pre dva režimy – vykurovanie a chladenie, prevádzkujú sa súčasne, ale v sekvencii, aby nedochádzalo k plytvaniu energie.

Voľba spôsobu režimu ďalej ovplyvňuje jeho hydraulické zapojenie.

Hydraulické zapojenia stropných systémov

Používajú sa tieto hydraulické zapojenia:

1. 2-rúrový systém: pozostáva z dvojice potrubí, prívodného a vratného, ktorými sa do teplovýmenných plôch rozvádza teplonosná látka. Teplovýmenné plochy sú navrhnuté len na jeden účel, na vykurovanie alebo chladenie;
2. 2-rúrový systém s prepínaním: pozostáva z dvojice potrubí, pričom sa podľa aktuálnej potreby privádza buď vykurovacia, alebo chladiaca teplonosná látka, nie je však možná súčasná prevádzka vykurovania aj chladenia. Režim sa prepína podľa sezóny centrálne;
3. 3-rúrový systém: je charakteristický samostatným prívodom vykurovacej a chladiacej vody a ich spoločným odvodom. Vykurovanie a chladenie sa dá používať súčasne, dochádza však k miernemu zvýšeniu tepelných strát vratnej teplonosnej látky po zmiešaní. V súčasnosti sa nepoužíva;
4. 4-rúrový systém: vyznačuje sa dvoma samostatnými dvojrúrovými rozvodmi pre vykurovaciu a chladiacu teplonosnú látku. Umožňuje súčasné vykurovanie alebo chladenie, avšak so sekvenciou ventilov vykurovacej a chladiacej vody.

Požiadavky na teplotu teplonosnej látky

Hygienické kritériá pre vnútorné prostredie budov sú zakotvené v niekoľkých legislatívnych predpisoch, napr. v [1] a [2]. Z týchto požiadaviek vyplývajú aj teploty teplonosnej látky pre vykurovací a chladiaci režim prevádzky stropného systému.

• Vykurovacia prevádzka Teplota prívodnej vody na vykurovanie sa navrhuje v rozpätí 40 až 45 °C, výkon sa pohybuje v rozpätí 40 až 50 W/m², pri ľahkých stropoch až do 80 W/m². Pri mokrom spôsobe montáže je potrebné dodržať minimálne a maximálne prípustné prevádzkové teploty podľa údajov výrobcov omietok. Ako smerné hodnoty možno použiť pri sadrových a hlinených omietkach teplotu prívodu najviac 40 °C, pri vápenných, cementových alebo vápenno-cementových omietkach najviac 50 °C.
• Chladiaca prevádzka Pri chladiacej prevádzke je dôležité zabrániť kondenzácii vodnej pary obsiahnutej vo vzduchu na povrchu stropu. Preto sa teplota prívodu chladiacej vody volí o 1 až 2 K vyššia, ako je teplota rosného bodu vzduchu, čo je v našich podmienkach 16 až 17 °C (ak nie sú v miestnosti vnútorné zdroje vlhkosti), maximálne však 20 °C. Teplotný rozdiel medzi prívodnou a vratnou chladiacou vodou býva väčšinou 2 až 4 K. V závislosti od konštrukcie je výkon uzavretých stropov približne 65 až 85 W/m².

Spôsoby riadenia tepelného výkonu

Riadiaci systém vykurovania a chladenia musí plniť tieto úlohy:

• regulovať výkon energetického systému tak, aby sa zabezpečili požiadavky na kvalitu vnútornej klímy v zmysle legislatívnych predpisov;
• zabrániť tomu, aby teplota povrchu stropu:
  • vo vykurovacej prevádzke spôsobila prekročenie asymetrie radiačnej teploty (obmedziť maximálnu teplotu prívodu vo vykurovacej prevádzke);
  • v chladiacej prevádzke vylúčila riziko kondenzácie vodnej pary obsiahnutej vo vnútornom vzduchu (obmedziť minimálnu teplotu prívodu v chladiacej prevádzke);
• pri prepínacích systémoch:
  • prepínať prietok medzi vykurovacou a chladiacou teplonosnou látkou podľa zadaných kritérií;
  • zabrániť miešaniu oboch teplonosných látok;
• znížiť výkon energetického systému a tým šetriť energiu v čase, keď sa niektoré miestnosti alebo celá budova nevyužívajú.

Stropný systém vo vykurovacej prevádzke

Ako zdroj tepla v efektívnej spolupráci so stropným vykurovaním vzhľadom na nízke teploty teplonosnej látky sa osvedčili tepelné čerpadlá, solárne kolektory a kondenzačne kotly.

Ekvitermické riadenie teploty vykurovacej vody

Ak energetický systém pozostáva z viacerých spotrebiteľských okruhov s odlišnými požiadavkami na dodávku tepla, teplota vykurovacej vody na výstupe z okruhu zdroja sa reguluje podľa požiadavky okruhu s najvyššou prioritou (najvyššia požadovaná teplota prívodu).

Pre okruhy stropného vykurovania sa najčastejšie používa ekvitermická regulácia teploty vykurovacej vody. Regulátor počíta žiadanú hodnotu teploty vykurovacej vody podľa nastavenej vykurovacej krivky. Tepelná zotrvačnosť budovy sa musí zohľadniť už pri návrhu energetického systému (obr. 2).

Ekvitermické riadenie teploty vykurovacej vody s prednostnou prípravou teplej vody

V malých budovách s jedným zdrojom tepla (napr. tepelné čerpadlo, kondenzačný kotol), ktoré majú väčšinou jeden okruh na vykurovanie a jeden okruh na prípravu teplej vody (ďalej TV), sa riadi teplota vykurovacej vody priamo v zdroji podľa nastavenej vykurovacej krivky. Pri požiadavke na ohrev TV sa zdroj tepla prepne z režimu vykurovania na režim prípravy TV, pričom sa zablokuje prevádzka vykurovacích okruhov.

Individuálne riadenie výkonu stropných plôch

Miestnosti alebo skupiny miestností so stropnými plochami môžu tvoriť zóny. V každej zóne je osadený regulátor a snímač teploty. Regulátor na základe nastavenej žiadanej teploty vzduchu škrtí prietok teplonosnej látky ovládaním pohonov dvojcestných regulačných ventilov v prívodnom potrubí.

Avšak tento spôsob regulácie je efektívny len pre ľahké stropy s dobrými dynamickými vlastnosťami ako aktívne sadrokartónové dosky s integrovanými rúrkami, lamelové stropy, podomietkové systémy a panely umiestnené v podhľade (obr. 4 a 5). Pre masívne stropy je tento spôsob regulácie nevhodný vzhľadom na veľkú/neprimerane dlhú/nenáležitú/neprimeranú reakciu na regulačný zásah.

Stropný systém v chladiacej prevádzke

Zdrojom chladu pre stropné chladenie môže byť tepelné čerpadlo, priame chladenie vodou zo studne alebo priame chladenie vodou zo zemného výmenníka. Ďalej je dôležité zabrániť kondenzácii vodnej pary obsiahnutej v priestore na povrchu stropu.

Realizuje sa to dvoma spôsobmi:

1. pasívnou ochranou – obmedzením minimálnej teploty prívodu v zdroji väčšinou na 16 °C alebo inštalovaním snímača vlhkosti, keď pri dosiahnutí nastavenej hodnoty regulátor uzatvára prívod chladiacej vody do jednotlivých okruhov;
2. aktívnou ochranou – priamym riadením teploty prívodu chladiacej vody podľa teploty rosného bodu vzduchu regulátorom.

Centrálne riadenie teploty chladiacej vody podľa teploty rosného bodu

Regulátor riadi teplotu privádzanej chladiacej vody buď centrálne na výstupe zo zdroja chladu, alebo zónovo v každej vetve chladenia tak, aby bola vždy vyššia o 1 až 2 K ako teplota rosného bodu vzduchu (aktívna ochrana). Prívod chladiacej vody sa v tomto prípade neuzatvára, ale strop môže naďalej pracovať s mierne zníženým výkonom.

Žiadanú teplotu rosného bodu regulátor určuje na základe nameranej teploty a relatívnej vlhkosti vzduchu z jednotlivých snímačov. Vyrábajú sa aj kombinované snímače, ktoré už majú túto funkciu integrovanú.

Riadiacou veličinou regulácie môže byť:

• teplota rosného bodu vonkajšieho vzduchu,
• teplota rosného bodu vnútorného vzduchu meraná v referenčnej miestnosti,
• teplota rosného bodu z jednotlivých miestností, pričom prívod sa reguluje na základe výberu maximálnej hodnoty.

Tento spôsob riadenia je obzvlášť vhodný aj pre masívne stropy, ktoré reagujú na regulačný zásah s veľkým časovým oneskorením (obr. 2).

Na záver

Stropné systémy vykurovania a chladenia majú široké aplikačné možnosti. Nachádzajú uplatnenie v bytovej výstavbe, v administratívnych priestoroch, múzeách, rôznych výrobných halách, obchodných a verejných budovách.

Stropné systémy v chladiacom režime sú schopné odvádzať len citeľné teplo, preto ich nie je vhodné navrhovať do priestorov s vysokou vzdušnou vlhkosťou. Túto skutočnosť treba zvážiť aj pri zhromažďovacích priestoroch, ako sú koncertné sály alebo konferenčné miestnosti, kde je veľká obsadenosť a ľudia produkujú teplo viazané vo vodnej pare. Tiež je potrebné do takýchto priestorov privádzať veľké množstvo čerstvého vzduchu núteným vetraním.

Prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy výskumu a športu Slovenskej republiky prostredníctvom grantov VEGA 1/0118/23.

TEXT A FOTO: doc. Ing. Daniela Koudelková, PhD., Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU Bratislava

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 3/2024