Interiérové tepelne aktívne panely s integrovanou aktívnou plochou, I. časť

V súčasnosti prebieha experimentálne overovanie týchto stavebno-energetických systémov. ITAP panely – interiérové tepelne aktívne panely s integrovanou aktívnou plochou – inovatívnym spôsobom spájajú existujúce stavebné a energetické systémy do jedného kompaktného celku, čím vytvárajú kombinované stavebno-energetické systémy. Zároveň predstavujú stavebné konštrukcie s vnútorným zdrojom energie.

Nízke tepelné straty, resp. tepelné zisky predikujú pri energeticky úsporných stavbách práve aplikáciu nízkoteplotných vykurovacích/vysokoteplotných systémov, ako sú veľkoplošné podlahové, stenové a stropné vykurovanie/chladenie.

Hlavným prínosom ITAP panelov je možnosť unifikovanej a prefabrikovanej výroby. Medzi ďalšie výhody patrí zníženie výrobných nákladov vzhľadom na technologický postup výroby, zníženie montážnych nákladov vzhľadom na nižší počet krokov pri realizácii na stavbe a skrátenie času realizácie vzhľadom na spôsob aplikácie ITAP panelov.

ITAP panely

Interiérové tepelne aktívne panely s integrovanou aktívnou plochou  sú v súčasnosti vo fáze experimentálneho overovania. Tvorí ich rúrkový alebo kapilárny energetický systém integrovaný v tepelnoizolačnej časti panelu a tepelne aktívny povrch z tepelnovodivého materiálu (napr. tenkovrstvová omietka, platňa sadrokartónu alebo plechu). ITAP panely sa aplikujú rovnakým spôsobom ako doteraz známe panely s integrovanými rúrkovými alebo kapilárnymi systémami (napr. v SD doskách). Panely sú chránené európskym patentom EP 2 572 057 B1 z 15. 10. 2014 (autor: Kalús, D.) [1].

Výskum v tejto oblasti sme zamerali na možnosti aplikácie ITAP panelov pre veľkoplošné nízkoteplotné vykurovanie a vysokoteplotné chladenie so zdrojmi tepla/chladu na báze OZE [1], [5], [6], [7], [8]. Pripravujeme aj výskum v laboratórnych podmienkach, kde sa budú uskutočňovať merania v rôznych okrajových podmienkach a materiáloch aktívnych teplovýmenných plôch. Tieto experimentálne merania sú súčasťou aplikovaného výskumu, ktorý vyplynul z požiadaviek z praxe (Zmluva o dielo PR 10/2015, STU v Bratislave, Stavebná fakulta, Katedra TZB, zodpovedný riešiteľ Kalús, D., s názvom Analýza energetických, ekonomických, environmentálnych aspektov a experimentálne merania kompaktných zariadení energetických systémov pre aplikáciu obnoviteľných zdrojov energie).

Predmetom výskumu opisovaného v tomto článku v dvoch častiach je parametrická štúdia spôsobu šírenia tepla/chladu vo fragmente obvodovej steny a vnútornej steny s podomietkovým rúrovým energetickým systémom a s ITAP panelmi, optimalizácia príslušnej hrúbky tepelnej izolácie, dimenzií a rozstupu rúrok interiérových tepelne aktívnych panelov s integrovanou aktívnou plochou [1], [5], [6], [7], [8].

Súčasný stav v aplikácii veľkoplošného sálavého vykurovania/chladenia

Pri veľkoplošnom sálavom vykurovaní/chladení rozoznávame dve základné riešenia konštrukčného vyhotovenia vykurovacej plochy:

1. vykurovacia plocha je zabudovaná, teda je neoddeliteľnou súčasťou stavebnej konštrukcie,
2. vykurovacia plocha je samostatná, je to zahrievaná doska, ktorá je upevnená na niektorej zo stavebných konštrukcií alebo je umiestnená voľne vo vykurovanom interiéri.

Vykurovacia sústava je teda tvorená z rúrových registrov, ktoré sú zabetónované priamo v stavebnej konštrukcii alebo, ak sa sálavé vykurovanie dobuduje dodatočne, môžu sa tieto registre zavesiť napríklad pod nosný strop a v podhľade sa zakryjú vrstvou omietky, prípadne sa použijú panely s inte­grovanými rúrkovými alebo kapilárnymi systémami (napr. v SD doskách) [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [18].

Podomietkový rúrkový energetický systém

Stenové alebo stropné vykurovanie prostredníctvom podomietkového energetického systému spája vysoký komfort veľkoplošného vykurovania s pružnosťou klasického konvekčného vykurovania pomocou vykurovacích telies. Aktívne steny musia byť smerom do miestnosti voľné, bez nábytku či obrazov, preto je potrebné včas naplánovať usporiadanie interiéru. Toto vykurovanie sa často kombinuje práve s podlahovým vykurovaním, keďže  zväčšením vykurovacej plochy možno prevádzkovať systém s úspornejšími nižšími teplotami vykurovacej vody. Orientačná hodnota vykurovacieho výkonu je okolo 100 W/m² [2], [3].

Obr. 1 Podomietkový stenový energetický systém [5]

Pri stenovom vykurovaní sa využíva sálavý tepelný tok z ohrievanej steny (obr. 1). Steny dosahujú vďaka teplovodným rúrkam mierne vyššiu povrchovú teplotu, a tak priamo vyžarujú teplo do okolitej miestnosti – na vnútorné zariadenie a ľudí. Na rozdiel od zotrvačného podlahového vykurovania je stenové vykurovanie veľmi pružné. Teplota steny by však nemala pre pocit pohody prekročiť 35 °C [2], [3]. Stenové a stropné chladenie spĺňa najvyššie požiadavky na ideálny tepelný komfort. Teplota steny by však pre pocit pohody, ako aj pre nežiaducu kondenzáciu nemala klesnúť pod 19 °C. Orientačná hodnota chladiaceho výkonu je okolo 60 W/m² [2], [3].

Podomietkový kapilárny energetický systém

Ďalší spôsob podomietkového energetického systému predstavujú kapilárne rohože (obr. 2), ktoré  možno aplikovať na podlahové, stenové a stropné vykurovanie/chladenie. Kapilárne rohože sú tenké, preto sa ukladajú tesne pod povrch stien, takže na požadované zmeny teploty reagujú takmer okamžite. Vďaka tomu sa miestnosti rýchlo zahrejú či ochladia. Kapilárne rohože sú ľahké, preto ich možno použiť aj pri akýchkoľvek moderných stropných konštrukciách. Zároveň sa môžu využiť nielen pri stavbe nového domu, ale aj pri jeho rekonštrukcii. Majú malú konštrukčnú výšku, preto zaberajú len minimálny priestor v stene, čím, na rozdiel od iných systémov, zbytočne nezmenšujú miestnosti. Kapilárne rohože sa inštalujú tesne pod povrch, preto nie je potrebná hrubá vrstva omietky.

Obr. 2 Kapilárny energetický systém [5]

Panely s integrovanými rúrkovými alebo kapilárnymi systémami

Na aplikácie v interiéri slúžia panely s integrovanou aktívnou plochou (AP) na stenové, stropné (obr. 3) a podlahové vykurovanie, v alternatívach mokrého aj suchého spôsobu vyhotovenia. V súčasnosti je väčšina panelov s integrovanou aktívnou plochou vyhotovená zo sadrokartónových dosiek s vyfrézovanými drážkami a vloženými rúrami. Niektorí výrobcovia dodávajú tieto panely kompaktne aj s tepelnou izoláciou. Panely s vyfrézovanými drážkami v sadrokartóne a s vloženými rúrami majú svoje obmedzenia najmä v priemere a materiáli rúr. Tento fakt úzko súvisí aj s vysokou cenou a obmedzeným vykurovacím/chladiacim výkonom.

Obr. 3 Aplikácia panelov s integrovanými rúrkami na stropné vykurovanie [18]

Inovatívne riešenie pomocou ITAP panelov

Nevýhody panelov s vyfrézovanými drážkami v sadrokartóne a s vloženými rúrami odstraňuje konštrukcia tepelnoizolačného panelu s aktívnou tepelnou ochranou na aplikáciu so systémom aktívneho riadenia prechodu tepla (tepelnoizolačný panel ATO) v zmysle európskeho patentu EP 2 572 057 B1 [1].

Prototypy

Interiérový tepelne aktívny panel s inte­grovanou aktívnou plochou pozostáva v základnom vyhotovení z nosnej konštrukcie tvorenej exteriérovou a/alebo interiérovou veľkoplošnou rovnou alebo profilovanou platňou alebo z nosného rámu, ktorého vnútorný priestor je vyplnený tepelnou izoláciou, pričom na jednu a/alebo aj na druhú čelnú plochu alebo do stredového objemu tepelnej izolácie je aplikovaný aspoň jeden rúrový alebo hadicový či kanálový distribučný systém teplonosnej alebo chladiacej látky v kvapalnej alebo plynnej forme.

Obr. 4 Prototyp ITAP panelu – EPS, rozmery 2 000 × 1 000 × 100 mm (teplonosná látka voda)

Nosná konštrukcia tvorená exteriérovou a/alebo interiérovou veľkoplošnou rovnou alebo profilovanou platňou (obr. 4) alebo nosný rám môžu byť vyrobené z dreva, preglejky, kovových profilov, platní, plechu, plastu, prípadne z iných vhodných materiálov (obr. 5). Na účely tepelnoizolačného panelu sa ako tepelná izolácia môže použiť polystyrén, minerálna vlna, kamenárska vlna, polyuretánové zmesi, celulóza, organické látky, ako napríklad slama či ovčia vlna, látky aplikované v kontaktných aj odvetraných zatepľovacích systémoch a všetky ostatné tepelné izolácie a ich kombinácie aplikované v stavebníctve [1].

Obr. 5 Prototyp ITAP panelu – nosný rám – minerálna vlna, rozmery 2 000 × 1 000 × 100 mm (teplonosná látka voda)

Za účelom zlepšenia statických a dynamických vlastností ITAP panelov je výhodné priestor ohraničený exteriérovou a/alebo interiérovou veľkoplošnou rovnou alebo profilovanou platňou alebo nosným rámom vybaviť výstužnými prvkami. Aby bolo možné tento ITAP panel upevniť, obsahuje nosná časť panelu vhodné kotviace prvky. Aspoň jedna čelná plocha panelu môže byť vybavená ochrannou fóliou – napríklad zo skladovacích alebo prepravných dôvodov. Touto ochrannou fóliou môže byť tenká PVC fólia, ktorá sa po dodaní ITAP panelu na stavenisko strhne alebo sa ponechá. Súčasťou ITAP panelu môže byť aj tepelne vodivá alebo reflexná vrstva, ktorá býva na báze omietky, tepelne vodivej fólie, tepelne vodivého nástreku, náteru, prípadne inej kombinácie [1].

Aplikácia ITAP

Patentované ITAP panely využívajú najmä tepelnoizolačné platne, do ktorých sú vyfrézované drážky a vložené rúry, alebo systémové dosky s vloženými rúrami [1]. Panely môžu byť vybavené aj povrchovou úpravou vo forme napríklad SD dosiek, používajú sa na suchú výstavbu. Panely bez povrchovej úpravy slúžia na mokrú výstavbu. Namiesto rúr možno aplikovať aj kapilárne rohože (obr. 6).

Obr. 6 Prototyp ITAP panelu s integrovanou kapilárnou rohožou (teplonosná látka voda)

ITAP panely môžu mať aj teplonosnú látku vzduch. Nie sú obmedzené priemerom rúr, hrúbka tepelnej izolácie, do ktorej sú rúry integrované, býva od 50 mm – podľa požiadaviek na tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií. Tepelný/chladiaci výkon má väčšiu variabilitu aj z dôvodu možnosti väčších prietokov teplonosnej/chladiacej látky. ITAP panely sa môžu aplikovať na murivo aj priamym lepením (obr. 7b).

Obr. 7 Detail ITAP panelu s integrovanou rúrou: a) pomocná konštrukcia, b) priame lepenie na murivo

Na obr. 8 je znázornená aplikácia ITAP stropných panelov s integrovanou rúrou na pomocnú konštrukciu. ITAP panely možno aplikovať aj na realizáciu podlahového vykurovania, a to mokrým aj suchým spôsobom. Na obr. 9 je znázornený kladačský výkres podlahového vykurovania jednej miestnosti. Na obr. 10 je detail mokrého spôsobu vyhotovenia podlahového vykurovania pomocou interiérových panelov s integrovanou rúrou a na obr. 11 je detail suchého spôsobu.

Obr. 8 Detaily ukotvenia interiérových stropných panelov s integrovanou rúrou

Obr. 9 Kladačský výkres ITAP podlahových panelov s integrovanou rúrou

Obr. 10 Detail mokrého spôsobu vyhotovenia podlahového vykurovania pomocou ITAP panelov s integrovanou rúrou

ITAP panely s integrovanou aktívnou plochou vytvorenou kanálmi, kde je teplonosnou látkou teplotne upravený vzduch, možno použiť na veľkoplošné podlahové, stenové aj stropné vykurovanie/chladenie. Na obr. 12 je znázornený kladačský výkres podlahového vykurovania jednej miestnosti. Na obr. 13 je detail suchého a mokrého spôsobu vyhotovenia podlahového vykurovania pomocou interiérových panelov s integrovanými vzduchovými kanálmi [1].

Obr. 11 Detail suchého spôsobu vyhotovenia podlahového vykurovania pomocou ITAP panelov s integrovanou rúrou

Obr. 12 Kladačský výkres ITAP podlahových panelov s integrovaným vzduchovým kanálom

Obr. 13 Detail suchého a mokrého spôsobu vyhotovenia podlahového vykurovania pomocou ITAP panelov s integrovaným vzduchovým kanálom (panel je tvorený izolačnou doskou s kanálmi, je prekrytý a zlepený veľkoplošnou doskou, napr. sadrokartónom)

Foto a obrázky: autor
Text: doc. Ing. Daniel Kalús, PhD.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Autor pôsobí na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra

1. Preklad európskeho patentového spisu EP 2 572 057 B1. Tepelnoizolačný panel pre systémy s aktívnym riadením prechodu tepla. Pôvodca: doc. Ing. Daniel Kalús, PhD. Dátum vydania európskeho patentového spisu: 15. 10. 2014. Dátum sprístupnenia prekladu patentového spisu verejnosti: 2. 10. 2015. Vydal: Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Banská Bystrica, 2015, číslo dokumentu E 18881.
2. Petráš, D. – Kalús, D. – Koudelková, D.: Vykurovacie sústavy, cvičenie a ateliérová tvorba. Bratislava: STU, 2012, 298 s.
3. Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA Group, 2009, 224 s.
4. Bugáň, J. – Petráš, D.: Stropný vykurovací systém v administratívnej budove, www.asb.sk.
5. Cvíčela, M.: Analýza stenových energetických systémov. Dizertačná práca. STU v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2011, 119 s.
6. Janík, P.: Optimalizácia energetických systémov s dlhodobou akumuláciou tepla. Dizertačná práca. STU v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2013, 185 s.
7. Šimko, M.: Analýza a využitie obnoviteľných zdrojov energie pri aplikácii aktívnej tepelnej ochrany pri rekonštrukciách obytných budov. Písomná časť dizertačnej skúšky. STU v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2014, 88 s.
8. Šimko, M.: Výskum stenového energetického systému s aktívnou tepelnou ochranou. In: JUNIORSTAV 2016. Sborník přednášek. Brno, ČR, 2016. Brno: Technická Univerzita v Brne, Stavební fakulta, 2016, 9 s.  
9. Zhu, Q. –Xu, X. – Gao, J. –  Xiao, F: A semi – Dynamic simplified therm model of active pipe-embedded building envelope based on frequency finite difference method. In: International Journal of Thermal Sciences, 2015 – Elsevier, Vol. 88, p. 170 – 179, 2015.
10. Krzaczeka, M. – Kowalczuk, Z.: Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings. In: An international journal devoted to investigations of energy use and efficiency in buildings – Energy and Buildings, 2011 – Elsevier, Vol. 43, p. 823-837, 2011.
11. Kalús, D.: Energetické systémy pre domy s takmer nulovou spotrebou energie. In: Letní škola TZB 2010: 8. letní škola katedry TZB ČVUT. Sborník přednášek. Český Šternberk, ČR, 2010. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2010, s. 31 – 34.
12. Kalús, D. – Cvíčela, M: Stenové energetické systémy vhodné pre aplikáciu v pasívnych domoch, www.casopisstavebnictvi.cz, 2010.
13. STN 73 0540-1 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 1: Terminológia. SÚTN, 2002.
14. STN 73 0540-2 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky, SÚTN, 2002.
15. STN 73 0540-3 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 3: Vlastnosti materiálov a konštrukcií. SÚTN, 2002.
16. STN 73 0540-4 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 4: Výpočtové metódy. SÚTN, 2002.
17. STN 06 0892 Ústredné sálavé vykurovanie so zabetónovanými rúrkami.
18. www.wolfsr.sk
19. www.po.opole.pl. TU v Opole (2013)
20. www.eng.pw.edu.pl. TU vo Varšave (2013)
21. www.stavebne-forum.sk/sk/article/18284/
22. ISOMAX. www.isomax.sk