Stenové energetické systémy vhodné na aplikáciu v nízkoenergetických a energeticky pasívnych domoch

Veľkosť tepelných strát v zimnom období cez 1 m² obvodovej steny závisí priamo úmerne od rozdielu teplôt interiérového a exteriérového vzduchu a nepriamo úmerne od tepelného odporu steny. V štandardne riešených nízkoenergetických a pasívnych domoch sa tepelné straty cez obvodové steny znižujú aplikáciou čo najväčšej hrúbky vysokoúčinnej tepelnej izolácie (ide o tzv. pasívnu tepelnú ochranu budovy). Existuje však aj iný spôsob, ako znížiť tepelné straty cez obvodové steny.

Tento spôsob charakterizuje využitie solárnej a prípadne aj geotermickej energie prostredníctvom stenových energetických systémov, takže dochádza k aktívnej tepelnej ochrane obalových konštrukcií.
Niektoré stenové energetické systémy sú v súčasnosti už natoľko experimentálne overené, že sa začalo s ich komerčným využívaním. Do základného rozdelenia stenových energetických systémov patria:

• stenový podomietkový systém,
• TABS (tepelne aktivovaný stenový systém),
• stenový systém s aktívnou tepelnou ochranou s vnútornou tepelnou bariérou,
• stenový systém s aktívnou tepelnou ochranou s vnútornou aj vonkajšou tepelnou bariérou.

Stenové energetické systémy bežne používané v stavebnej praxi

Stenové vykurovanie
Stenové vykurovanie spája vysoký komfort veľkoplošného vykurovania s pružnosťou klasického konvekčného vykurovania pomocou vykurovacích telies. Aktívne steny musia byť smerom do miestnosti voľné – bez nábytku, obrazov či kobercov –, preto treba 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 [9].

Pri stenovom vykurovaní sa využíva sálavý tepelný tok z ohrievanej steny. Steny vďaka teplovodným rúrkam dosahujú mierne vyššiu povrchovú teplotu, a tak priamo vyžarujú teplo do okolitej miestnosti, na vnútorné zariadenie i ľudí. Takéto teplo je veľmi komfortné a dá sa prirovnať k teplu slnečných lúčov, ktoré príjemne zohrejú aj v zimných mesiacoch pri veľmi nízkej teplote okolitého vzduchu. Vykurovanie pomocou menej komfortnej konvekcie, t. j. prostredníctvom ohriateho vzduchu, tu má – na rozdiel od klasického konvekčného vykurovania – podstatne menší podiel. Rozloženie tepla v miestnosti je smerom od podlahy nahor veľmi rovnomerné (čo ľudský organizmus vníma veľmi pozitívne) a výrazne sa približuje ideálnemu teplotnému profilu zistenému dlhodobým medicínskym výskumom. Navyše, stenové vykurovanie je veľmi pružné – na rozdiel od zotrvačného podlahového vykurovania. Teplota steny by však pre pocit pohody nemala prekročiť 35 °C [9].

Stenové chladenie
Stenové chladenie prináša novú dimenziu komfortu počas horúcich letných dní. Aj v tomto prípade musia byť aktívne steny smerom do miestnosti voľné – bez nábytku, obrazov či kobercov, preto tu tiež treba myslieť na včasné naplánovanie usporiadania interiéru. Toto chladenie sa tiež často kombinuje so stropným alebo podlahovým chladením. Orientačná hodnota chladiaceho výkonu je okolo 60 W/m² [9].

Princíp stenového chladenia spočíva vo veľkoplošnom chladení stenou pomocou chladiacej vody cirkulujúcej v rozvodných rúrkach. Výmena energie tu – na rozdiel od klasickej klimatizácie – prebieha medzi všetkými teplejšími objektmi v miestnosti, vrátane ľudského tela, vysálaním na chladiacu plochu. Toto jemné veľkoplošné chladenie spĺňa najvyššie požiadavky na ideálny tepelný komfort. Teplota steny by však pre pocit pohody, ako aj pre nežiaducu kondenzáciu, nemala poklesnúť pod 19 °C [9].

K princípu stenového chladenia treba doplniť, že ľudské telo odovzdáva teplo konvekciou (10 %), vyparovaním (30 %) a predovšetkým vysálaním (viac ako 50 %). Klasické klimatizačné systémy odbúravajú vznikajúci pocit tepla prúdením studeného vzduchu (konvekciou), čo prináša nepríjemné sprievodné javy, ako sú zvýšená hlučnosť, prívod príliš chladného vzduchu a nepríjemný prievan.

Výhody stenového vykurovania a chladenia [9]
Medzi výhody stenového vykurovania a chladenia možno počítať:

• vysoký komfort vnútorného prostredia – jemný chlad, príjemné sálavé teplo,
• rýchle reakcie pri vykurovaní aj chladení,
• výraznú úsporu prevádzkových nákladov v režime vykurovania,
• extrémnu prevádzkovú úsporu pri možnosti pasívneho chladenia spodnou vodou alebo hĺbkovým vrtom (dokonca len s nákladmi na elektrickú energiu obehových čerpadiel),
• neviditeľnosť, ktorá poskytuje voľnosť pri zariadení interiéru,
• absenciu vírenia prachu – vhodnosť pre alergikov,
• absenciu nepríjemného prúdenia studeného vzduchu pri chladení,
• úplne bezhlučnú prevádzku.

Hybridné stenové energetické systémy
Z praxe sú známe systémy stenového vykurovania aj systémy stenového chladenia. Stenové energetické systémy, ktoré využívajú ten istý potrubný systém na vykurovanie počas vykurovacej sezóny a na chladenie počas letného obdobia, sa nazývajú hybridné stenové energetické systémy.

Nové trendy v oblasti stenových energetických systémov
Stenové energetické systémy, zastupujúce nové trendy v oblasti stenových energetických systémov, sú vhodné aj pre pasívne domy, v ktorých sú steny z betónových, keramických alebo pórobetónových tvárnic.

Tepelne aktivovaný stenový systém (TABS)
Tento systém využíva tepelne aktivovanú hmotu betónových konštrukcií. Ide o hybridný systém, ktorý slúži na vykurovanie počas vykurovacej sezóny a na chladenie počas letného obdobia. Potrubný systém je priamo zaliaty do betónového jadra steny, alebo je umiestnený v omietke – v prípade, keď je stena vymurovaná z betónových tvárnic. Tento energetický systém  charakterizujú veľmi nízke rozdiely medzi povrchovými teplotami stien a teplotou vzduchu v interiéri. Výmena tepla alebo chladu sa uskutočňuje v prevažnej miere sálaním, iba malá časť tepla (chladu) sa šíri konvekciou. Ako zdroje tepla alebo chladu sa používajú štandardné zdroje [9].

Stenový energetický systém s aktívnou tepelnou ochranou s jednou tepelnou bariérou
Tento stenový energetický systém, podobne ako systém TABS, využíva tepelne aktivovanú hmotu. Na rozdiel od neho však tento systém nevyužíva len betónové jadro, použiť sa môže akumulačné jadro steny z akéhokoľvek materiálu s vysokými tepelnoakumulačnými vlastnosťami. Tento systém využíva počas svojej prevádzky teplo získané zo slnečného žiarenia (uskladnené v zásobníkoch tepla) na aktívne znižovanie tepelných strát cez obalové konštrukcie. Na chladenie v letnom období sa využíva studená voda zo zemného potrubného registra [10].

Systém sa aplikuje výlučne na obvodové konštrukcie. Potrubný systém je umiestnený v omietke, ktorá sa zhotoví na vonkajšom povrchu muriva, po jej vyzretí sa na ňu aplikuje kontaktný zatepľovací systém. Počas vykurovacej sezóny sa do potrubia privádza voda zo zemného zásobníka tepla, pričom stredná teplota vykurovacej vody sa pohybuje v rozmedzí od 15 do 20 °C. Na pokrytie špičkového odberu tepla sa na ohrev vykurovacej vody používa prídavný zdroj tepla, ktorým môže byť akumulačný vodný zásobník s elektrickým dohrevom [10].

Matematicko-fyzikálne modelovanie tohto energetického systému, ktoré sa realizovalo na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave, potvrdilo teoretické predpoklady fungovania tohto energetického systému. Pomocou FEM modelovania dvojrozmerného teplotného poľa sa stanovili tepelné toky v systéme a následne sa vypracovala energetická bilancia systému pri stacionárnych okrajových podmienkach. Výsledky zo simulácií sa potom použili pri výpočte tepelných strát cez obalové konštrukcie budovy. Ukázalo sa, že obalová konštrukcia, v ktorej je aplikovaná aktívna tepelná ochrana, výrazne znižuje tepelné straty objektu.

Na porovnanie vplyvu aktívnej tepelnej ochrany na tepelné straty cez obalové konštrukcie sa vybral dvojpodlažný rodinný dom s pôdorysnými rozmermi 10 × 13 m a výškou 6 m. Tepelné straty cez obalové konštrukcie sa vyčíslili pre dva varianty obalových konštrukcií. Prvý variant domu pozostával z klasických obalových konštrukcií, druhý variant domu využíval aktívnu tepelnú ochranu obvodových stien a plochej strechy. Pri oboch variantoch bol tepelný odpor obvodových stien a strechy R = 5,5 m² . K/W, tepelný odpor podlahy na teréne bol 2,5 m². K/W a súčiniteľ prechodu tepla okien a dverí U = 1,5 W/(m² . K). Dom s aktívnou tepelnou ochranou využíval zemný zásobník tepla umiestnený pod budovou. Teplota zeminy v zemnom zásobníku neklesá pod 15 °C, zásobník znižuje teplotný rozdiel medzi interiérom a zeminou pod podlahou na teréne o 10 K. Pri obidvoch domoch sa uvažovala lokalita Bratislavy. Dom s aktívnou tepelnou ochranou mal pri rovnakej geometrii a rovnakých hodnotách tepelnotechnických parametrov o 30 % nižšiu tepelnú stratu cez obalové konštrukcie ako nízkoenergetický dom bez aktívnej tepelnej ochrany. Do výpočtu sa nezahrnula tepelná strata prirodzeným vetraním, infiltrácia vzduchu, solárne zisky a ani voľné teplo, keďže ide o veľmi premenlivé údaje, ktoré môžu byť ovplyvnené zatienením a návykmi obyvateľov domu. Porovnanie jednotlivých tepelných strát cez obalové konštrukcie oboch domov je graficky znázornené na obrázku.

Stenový energetický systém s aktívnou tepelnou ochranou s dvomi tepelnými bariérami
Tento systém obsahuje oproti predošlému systému jeden potrubný systém navyše. Okrem tepla zo solárneho žiarenia využíva na aktívne znižovanie tepelných strát cez obalové konštrukcie aj geotermické teplo [10].

Záver
Využívanie stenových energetických systémov ukazuje, že k tvorbe nízkoenergetických a energeticky pasívnych domov možno pristupovať aj netradičným spôsobom. Experimentálnym overením sa potvrdilo, že tieto systémy spĺňajú kritériá na používanie v  nízkoenergetických a energeticky pasívnych domoch.

Výhodou týchto riešení je, že náklady na výstavbu takéhoto typu rodinného domu vďaka správnemu výberu stavebných materiálov, použitiu aktívnej tepelnej ochrany a núteného vetrania neprevyšujú náklady na výstavbu štandardného nízkoenergetického rodinného domu s rovnakým objemom, ktorý bol postavený klasickým spôsobom a má nútené mechanické vetranie s rekuperáciou tepla.

Príspevok vznikol s podporou projektu VEGA č. 1/0734/08.

Autori: Ing. Martin Cvíčela, doc. Ing. Daniel Kalús, PhD.

Autori pôsobia na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Recenzoval: prof. Ing. Ivan Chmúrny, PhD.
Obrázok: archív autorov

Literatúra
1.    Petráš, D. a kolektív: Nízkoteplotné vykurovanie a obnoviteľné zdroje energie. Bratislava: JAGA GROUP, 2001.
2.    Petráš, D.: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA GROUP, 2005.
3.    Cihelka, J.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: SNTL, 1985.
4.    Recknagel, Sprenger: Vykurovanie, vetranie, klimatizácia. Bratislava: Alfa, 1971.
5.    Janson, U.: Passive Houses in Sweden, Experiences from Design and Construction Phase. Lund: Lund University, 2008.
6.    Schlager, N., Weisblatt, J.: Alternative Energy. New York: Thomson Gale, 2006.
7.    Sorensen, B.: Renewable Energy (Third edition). New York: Elsevier, 2004.
8.    Cihelka, J.: Solární tepelná technika. Praha: Nakladatelství T. Malina, 1994.
9.    Rehau – Projekčný box pre TZB, 2007.
10.    Isomax – Podklady pre projektantov.
11.    www.terrasol-th.com.
12.    www.isomax.sk.   
13.    www.isomax.pl.
14.    www.rehau.sk.
15.    www.sutn.gov.sk.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.