Sálavé chladiace systémy 1.

Sálavé chladiace systémy umožňujú úpravu tepelného komfortu osôb pri nízkej spotrebe energie. Pokúsime sa priblížiť ich všeobecné výhody a nevýhody a opísať ich konkrétne typy. Medzi najrozšírenejšie sálavé chladiace systémy patria chladiace stropy, ktorým venujeme najväčšiu pozornosť.

Spotreba energie v modernej a rozvíjajúcej sa spoločnosti neustále rastie, pričom nemalou mierou sa na tom podieľajú aj zvyšujúce sa nároky na pohodu prostredia, resp. na tepelný komfort osôb zdržiavajúcich sa v občianskych budovách. Pri snahe o zníženie spotreby energie je však nevyhnutné klásť si otázky, ako takéto – zdanlivo protichodné – požiadavky dosiahnuť.

Možnou alternatívou úpravy stavu prostredia s cieľom vytvoriť optimálny tepelný komfort osôb v administratívnych budovách, spoločenských priestoroch a pod. (bez vysokých nárokov na distribúciu vzduchu) je klimatizácia priestorov sálavými chladiacimi systémami. Z hľadiska vytvorenia tepelného komfortu ide o pomerne účinné systémy, ktoré pracujú s vyššou teplotou chladiacej vody, preto sa často spájajú s pojmom vysokoteplotné chladenie. V spojení s možnosťou udržiavať vyššiu teplotu vzduchu vďaka účinku radiácie vedú tieto skutočnosti k nespochybniteľným úsporám energie. Medzi najrozšírenejšie sálavé chladiace systémy patria chladiace stropy.

Výhody a nevýhody systému
Ako pri každom systéme, aj tu platí, že sálavé chladiace systémy majú svoje výhody a nevýhody. Všeobecne ich možno zhrnúť do týchto bodov:

• výhody   

• kvalita tepelného komfortu,
• hlukové parametre,
• odpadá nebezpečenstvo vzniku prievanu,
• nízka spotreba energie,
• prívod minimálneho množstva čerstvého vzduchu,
• menšie nároky na rozvody vzduchu,
• samoregulovatelnosť systému,
• možné použitie aj na vykurovanie;

• nevýhody   

• investičné náklady,
• nebezpečenstvo vytvorenia kondenzácie,
• nemožno nimi odvádzať teplo viazané vo vodnej pare,
• obmedzený výkon.

Tepelný komfort
Tepelný stav prostredia má priamy vplyv nielen na fyzický, ale aj na psychický stav človeka. Z hľadiska vytvorenia tepelného komfortu sa javí sálavý prenos tepla medzi človekom a okolím v porovnaní s konvekčným prenosom ako výhodný – na tepelnú pohodu človeka má totiž výrazný vplyv aj povrchová teplota okolitých plôch. Sálavý spôsob chladenia je výhodný aj z ďalších hygienických hľadísk, pretože ho nesprevádzajú nežiaduce účinky, ako sú hluk alebo prípadný prievan. Niekedy sa v literatúre kombinácia sálavého systému s chladiacimi stropmi a zdrojovým vetraním označuje dokonca aj ako komfortné chladenie.

Spotreba energie
Z energetického hľadiska patria sálavé chladiace systémy do skupiny nízkoenergetického vysokoteplotného chladenia. Už názov naznačuje, že ide o úsporný systém, čo sa považuje za jednu z jeho najväčších výhod. Spotreba energie je jednou z často diskutovaných tém, najmä v súvislosti s jej rastúcou cenou. Existuje mnoho autorov zaoberajúcich sa týmto problémom, ktorí jednoznačne poukazujú na nižšiu spo­trebu energie sálavých chladiacich systémov v rozsahu 15 až 30 % v porovnaní s bežnými, prevažne konvektívnymi systémami.

Vzhľadom na to, že sálavé chladiace systémy pracujú s pomerne vysokou teplotou chladiacej vody (minimálne 16 °C) možno využiť zdroje chladu s nižším potenciálom chladenia (vyššou teplotou). Medzi také zdroje patrí najmä využívanie chladu zo zemského masívu (zemné výmenníky), podzemná voda alebo vodné toky a pod. Dôkazom toho, že sálavé chladiace a vykurovacie systémy sú energeticky úsporné, je aj ich presadzovanie sa v tzv. zelených budovách (green buildings).

Samoregulačná schopnosť
Všeobecnou vlastnosťou veľkoplošných sálavých systémov – či už vykurovacích alebo chladiacich – je ich samoregulačná schopnosť. Možno konštatovať, že čím väčšia je teplovýmenná plocha systému, tým menší je rozdiel medzi teplotou vzduchu a povrchovou teplotou a výraznejšie sa prejavuje samoregulačná schopnosť.

Riziko kondenzácie a obmedzenie výkonu
Riziko kondenzácie je v prípade sálavých chladiacich systémov jedným z hlavných obmedzujúcich faktorov. Teplota prívodnej vody do chladiaceho systému sa volí tak, aby nedochádzalo k oroseniu povrchu. Povrchová teplota musí byť vyššia ako teplota rosného bodu vzduchu prúdiaceho okolo panela – spravidla o 1 až 2 K. Sálavé chladiace systémy nedokážu odvádzať teplo viazané vo vodnej pare!

V prípade použitia ľahkých konštrukcií chladiacich systémov alebo pri systémoch umiestnených tesne pod omietkou možno kontrolovať povrchovú teplotu pomerne ľahko. Rýchla odozva systému nedovolí, aby minimálna povrchová teplota klesla pod teplotu rosného bodu. To pri masívnych chladiacich stropoch prakticky nemožno dosiahnuť vzhľadom na dlhý čas oneskorenia – dobeh. Často sa tento problém rieši obmedzením teploty prívodnej vody. V našich podmienkach (v miestnostiach bez ďalších zdrojov vlhkosti) sa teplota prívodnej vody t_w1 volí  16 °C (pre ľahké systémy), maximálne však 20 °C (pre ťažké systémy s akumulačnou hmotou). Teplotný rozdiel odvádzanej a privádzanej chladiacej vody t_w býva v rozmedzí 2 až 4 K. V dôsledku vysokej teploty prívodnej vody, resp. povrchovej teploty nastáva obmedzenie chladiaceho výkonu.

Investičné náklady
Sálavé chladiace systémy sú investične pomerne náročné. Napríklad cena za 1 m² pokládky bežného potrubného systému sa pohybuje rádovo v rozpätí 17 až 34 eur (približne 500 až 1 000 Sk).

V niektorých prípadoch, najmä vtedy, ak systém slúži súčasne na vykurovanie v zime a chladenie v lete, môže byť zaobstarávacia cena systému aj nižšia než pri použití oddeleného vykurovacieho a chladiaceho systému. Zo stále rastúcich cien energií sa však dá predpokladať, že čas návratnosti investície do vysokoteplotného chladenia sa bude skracovať.

Rozdelenie sálavých chladiacich systémov
Z hľadiska vyhotovenia možno sálavé chladiace systémy rozdeliť na otvorené a uzavreté (obr. 1).
S otvorenými konštrukciami sálavých chladiacich systémov sa možno stretnúť výlučne v podobe chladiacich stropov. Sú charakteristické svojimi otvormi či medzerami, ktoré umožňujú prúdenie vzduchu až k stropu (obr. 2a). V prípade otvorených chladiacich stropov prevažuje konvektívna zložka (50 až 60 %) prenosu tepla medzi povrchom stropu a okolitým vzduchom, preto sa niekedy nazývajú aj konvektívne. Najčastejším riešením otvorených chladiacich stropov sú lamelové konštrukcie.

Obr. 1: Rozdelenie sálavých chladiacich systémov

Naopak, uzavreté systémy (obr. 2b), nazývané tiež sálavé, pracujú prevažne so sálavou zložkou tepelného toku (asi 60 %). Z hľadiska tepelného toku by mali byť uzavreté chladiace stropy na hornej strane vždy izolované tak, aby nedochádzalo ku strate chladiaceho výkonu (ak to nie je žiaduce). V niektorých prípadoch môže funkciu tepelnej izolácie nahradiť vzduchová medzera medzi stropnou betónovou doskou a chladiacim prvkom. Uzavreté (sálavé) chladiace systémy možno ďalej rozdeliť na masívne a ľahké.

Obr. 2: Znázornenie chladiacich stropov v miestnosti a) otvorený – konvektívny chladiaci strop,		b) uzavretý – sálavý chladiaci strop

Masívne sálavé chladiace systémy sú spravidla súčasťou stavebnej konštrukcie. Zvyčajne ich tvorí potrubný systém, ktorý je vložený buď do betónovej stropnej konštrukcie alebo pod omietku niektorých zo stien miestnosti. Ľahké sálavé chladiace systémy (zväčša chladiace stropy) bývajú zavesené pod stropnou konštrukciou spravidla v podhľade alebo samostatne. Ľahké systémy s minimálnou akumulačnou schopnosťou reagujú na tepelnú záťaž prakticky bezprostredne. Protipólom sú masívne systémy s akumulačnou hmotou (aktívny betón), ktoré majú, naopak, vysokú akumulačnú schopnosť. Tieto systémy absorbujú tepelnú záťaž do akumulačnej hmoty a až potom ju odvádzajú.

Podľa aktívnej chladiacej plochy rozlišujeme tieto sálavé chladiace systémy:

• chladiace stropy,
• chladiace steny,
• chladiace podlahy,
• celoplošné systémy.

Typy sálavých chladiacich systémov

Potrubné systémy
Potrubné systémy sa vo veľkej miere používajú najmä na vykurovanie, kde je veľmi rozšírené predovšetkým podlahové vykurovanie. Hlavnou súčasťou systému je potrubná slučka zakomponovaná do niektorej z vrstiev stavebnej konštrukcie. Chladiacu plochu tvorí niektorá zo stien ohraničujúca daný priestor (podlaha, steny alebo strop) alebo ich kombinácia. Konštrukcia chladiaceho potrubného systému je podobná ako pri vykurovaní s tým, že sa zvyčajne používajú menšie rozstupy potrubí. Je to dané snahou zvýšiť merný výkon chladiacej plochy, pretože to nemožno dosiahnuť znižovaním teploty chladiacej vody (z dôvodu rizika kondenzácie).

Samostatné využitie podlahového chladenia nie je príliš rozšírené najmä z dôvodu nízkych chladiacich výkonov. Vzhľadom na to, že podlahové vykurovanie je dnes úplne bežným systémom používaným na vytvorenie optimálnych teplotných podmienok v zime, je vhodné zvážiť možnosť využitia podlahovej vykurovacej plochy aj na chladenie. Na aplikáciu takýchto systémov sú vhodné najmä priestory, ktoré nie sú trvalým pracoviskom a ktorými osoby skôr prechádzajú – ako napr. vestibuly, čakárne, odbavovacie haly, galérie, obchody alebo športoviská. Vďaka nižším chladiacim výkonom podlahovej plochy (z dôvodu obmedzenia povrchovej teploty podlahy) možno predpokladať, že podlahové chladenie odvedie iba časť z celkovej tepelnej záťaže.

Zrejme najväčšou inštaláciou podlahového chladenia svojho druhu je realizácia na novom letisku v Bangkoku (obr. 5). Podlahové chladenie je tu nainštalované na ploche takmer 150 000 m² v hlavnej odbavovacej hale, termináloch a vo verejných priestranstvách. Systém pracuje s teplotným spádom chladiacej vody 13/19 °C, projektovaná povrchová teplota podlahy je 21 °C. Vetranie haly sa realizovalo veľkoplošnými zdrojovými výustmi. Podstatná časť zastrešenia haly je zasklená, čo v spojení s vysokou teplotou vonkajšieho vzduchu predstavuje výrazné tepelné zaťaženie priestorov. Systém podlahového chladenia však umožňuje teplo vo forme dopadajúceho priameho slnečného žiarenia odvádzať veľmi efektívne.

Sálavé chladenie s akumulačnou hmotou – aktivácia betónu
Špecifickým potrubným systémom je sálavé chladenie s akumulačnou hmotou, pri ktorom sa kombinuje princíp sálavého chladenia s akumuláciou tepla do stavebnej konštrukcie. V tomto systéme sa tepelná záťaž najskôr absorbuje do stavebnej akumulačnej hmoty a až následne sa odvádza. V zahraničnej literatúre sa systém často označuje pojmom „slab cooling“, čo znamená chladenie stavebnou doskou.

Systémy s akumulačnou hmotou majú akumulačnú vrstvu umiestnenú medzi chladiacou vrstvou a vnútorným povrchom stavebnej konštrukcie (zvyčajne strop, niekedy podlaha). Chladiacu vrstvu tvorí spravidla sieť vodovodného potrubia, ktorým preteká chladiaca voda. Dôsledkom prítomnosti akumulačnej hmoty je časový posun ziskov a vyrovnania tepelných záťaží počas dňa, resp. čiastočný presun mimo času pobytu osôb – napr. do nočných hodín, keď sú k dispozícii voľné kapacity zdrojov chladu a výhodnejšie tarify za odber elektrickej energie na strojové chladenie, ktoré, navyše, bude vďaka nižšej teplote vonkajšieho vzduchu dosahovať lepšie chladiace faktory [1].

Systém tepelne aktívnych betónových konštrukcií sa bežne používa najmä západne od našich hraníc. Skúsenosti s prevádzkou budov majú najmä v susednom Rakúsku či v Nemecku alebo vo Švajčiarsku. V Českej republike je systém aktívneho betónu vo väčšej miere použitý na stavbe budovy Národnej technickej knižnice v Prahe-Dejviciach, kde ho inštalovali na ploche približne 10 000 m². Vďaka obojstranne predpätému betónu sa systém inštaloval ručným odvíjaním priamo na stavbe (obr. 4).

Ing. Vladimír Zmrhal, PhD.
Foto a obrázky: archív autora, Giacomini, Healthy Heating, Rehau, Uponor

Autor pôsobí v Ústave techniky prostredia FS ČVUT v Prahe.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Článok je vytvorený úryvkami z pripravovanej publikácie Sálavé chladící systémy, ktorú zaradilo vydavateľstvo ČVUT do edičného plánu na rok 2009.  Príspevok vznikol s podporou výskumného zámeru MSM 6840770011 Technika životního prostředí.

Literatúra
1. LAIN, M.: Sálavé chlazení s akumulační hmotou. In: Sálavé systémy vykurovaní a chlazení – operativní teplota, zborník seminára. STP, 2006.
2. ZMRHAL, V.: Tepelné prostředí v prostoru s kapilárními rohožemi. In: Vykurování, větrání, instalace, roč. 16, 2007, č. 1, s. 37 – 41.
3. ZMRHAL, V.: Kapilární rohože v praktických aplikacích. In: Klimatizace a větrání 2008, 18. národní konference Klimatizace a větrání 2008. STP, 2008.
4. Firemné materiály Giacomini, www.giacomini.com, aktualizované v roku 2006.
5. Firemné materiály G-term, internetové stránky o. z. G-term, Hennlich Industrietechnik, www.g-term.cz.
6. Firemné materiály Krantz Komponenten, www.krantz.de.
7. Firemné materiály Rehau, www.rehau.cz.
8. Firemné materiály Trox, www.trox.cz.
9. Firemné materiály Uponor, www.uponor.cz.
10. Firemné materiály Healthy Heating, www.healthy­heating.com.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.