Tepelné zisky cez strechy – problém alebo potenciál?

Článok sa venuje problematike tepelných ziskov cez strechy plochých budov najmä v letných mesiacoch a všíma si zároveň značnú odlišnosť reálnych tepelných záťaží od výpočtových hodnôt uvedených v norme.

Tepelné toky cez strešné konštrukcie pritom predstavujú značnú zaťaž pre vetracie a klimatizačné systémy, čo sa odrazí na zvýšenej spotrebe elektrickej energie. Na druhej strane môžu byť tieto tepelné toky zároveň zaujímavým zdrojom pohonnej energie pre menej používané chladiace a klimatizačné systémy, ako sú absorpčné alebo paroprúdové systémy.

Ako je známe, klimatizačné zariadenia patria k významným konzumentom energie v moderných budovách, pričom v mnohých prípadoch sa prevádzkové náklady spojené s prevádzkou chladiacich a vzduchotechnických systémov v budove približujú nákladom na vykurovanie, alebo ich dokonca prevyšujú. Problém je o to nepríjemnejší, že hnacou energiou týchto systémov je v súčasnosti takmer výlučne elektrická energia.

Preto je vhodné venovať pozornosť reálnym tepelným tokom, ktoré budovu v teplých mesiacoch nežiaduco prehrievajú, a to jednak z pohľadu ich možnej redukcie vzhľadom na odľahčenie klimatizačných systémov (prípadne z pohľadu úplnej eliminácie týchto zaťaží) a jednak z pohľadu ich vhodného využitia práve na pohon chladiacich alebo vzduchotechnických zariadení. Stav techniky spolu s výhodným využitím znalostí termomechaniky umožňuje realizáciu takýchto riešení.

Tepelné záťaže plochých budov

Tepelné zisky budov upravuje projektantom dobre známa norma STN (EN) 73 0548, podľa ktorej sa spravidla dimenzujú klimatizačné a vzduchotechnické zariadenia. Pomerne široko poňaté výpočtové postupy tejto normy však vykazujú viac ako značné nepresnosti v prípade náročných tepelných podmienok v horúcich letných dňoch, a to najmä pri plochých typoch budov, ako sú výrobné haly alebo obchodné centrá s veľkými plochami striech.

Spresnené výpočty skutočných tepelných tokov podľa dobre známych rovníc prenosu tepla podporené počítačovými simuláciami a verifikované meraniami sa realizovali na pracoviskách Stavebnej a Strojníckej fakulty STU v Bratislave a ukazujú až 2,5- až 3-násobne vyššiu tepelnú záťaž v porovnaní so spomínanou normou práve v extrémne horúcich dňoch. Dôsledkom toho je značné preťažovanie klimatizačných systémov so všetkými prevádzkovými problémami, ktoré z toho vyplývajú, a s vysokou spotrebou elektrickej energie.

V prípade vetraných, ale neklimatizovaných výrobných priestorov, ako sú továrenské haly, dochádza z tohto dôvodu k neúmernému rastu teplôt vnútorného prostredia, čo vedie až k nevyhnutnému prerušovaniu výroby z tepelno-hygienických dôvodov.

Redukcia vonkajších tepelných záťaží

Vo všeobecnosti je rozumné eliminovať alebo redukovať nežiaduce tepelné toky z vonkajšieho prostredia do budovy v čo najväčšej miere ešte pred prechodom tepla cez obvodový plášť do vnútorného prostredia. Tieto opatrenia je výhodné realizovať pasívnymi spôsobmi bez použitia investične a prevádzkovo náročných strojných zariadení.

Termomechanika, resp. aplikácia poznatkov stavebnej tepelnej fyziky umožňuje realizovať na plášti budovy hneď niekoľko opatrení, ktoré situáciu z tohto pohľadu uľahčujú. Je pritom výhodné, ak sa predmetné opatrenia navrhujú už pri projektovaní budovy. Možná je však aj následná realizácia nápravných opatrení na už existujúcich budovách.

Základné opatrenia na elimináciu, resp. redukciu nežiaducich tepelných tokov

V rámci týchto opatrení je cieľom:
• Maximalizovať reflexné vlastnosti vonkajších povrchov, najmä striech, napríklad využívaním reflexných náterov alebo iných vrstiev. Je vhodné vyhnúť sa najmä matným asfaltovým povrchom.
• Zamedziť priamemu konvektívnemu prenosu tepla do strechy, a to najmä vytváraním odvetraných dvojitých striech tak, aby sa vytvorila v strešnom plášti izolujúca vzduchová medzera; prípadne sa odporúča použiť aj vhodné tieniace prvky.
• Eliminovať priame oslnenie svetlíkov vhodným zatienením alebo reflexnými fóliami. Svetlíky, napriek neveľkému podielu na ploche strechy, prepúšťajú do interiéru spravidla viac ako štvrtinu solárneho tepelného toku.
• Využívať jednoduché adiabatické vodné výparné systémy na priame ochladzovanie striech alebo podchladzovanie prúdiaceho vzduchu v dvojitých strechách alebo v odvetraných fasádach.
• Využívať solárne komíny na prirodzené odvetrávanie a voľnokonvektívny pohyb vzduchu, čím sa redukuje nutný príkon ventilátorov.

Čo sa týka kvantitatívneho vyjadrenia, tepelný zisk sa počíta v rámci každej budovy zvlášť, pričom vo všeobecnosti nejde o malé čísla. Nutný chladiaci výkon v klimatizačnom systéme väčšieho obchodno-nákupného centra presahuje počas horúcich letných dní 1 MW_chlad, rovnaké hodnoty sa dosahujú v najväčších výrobných halách (ak sa klimatizujú).

Aplikáciou uvedených zásad možno tepelnú záťaž redukovať na zlomok jej pôvodnej hodnoty. Ekonomika a výber týchto opatrení závisia od konkrétnej situácie, okrem iného od toho, či a v akej cene je k dispozícii úžitková voda na účely adiabatického chladenia.

Každopádne, reflexné nátery a ošetrenia svetlíkov sa z tohto pohľadu oplatia vždy. Aplikácia týchto zásad pritom nie je nijako extrémne zložitá, vyžaduje si však znalosti o prenose tepla, pričom treba otvorene konštatovať, že v súčasnosti väčšina architektov ani projektantov tieto zásady neuplatňuje, resp. o nich nevedia.

Klimatizačné (chladiace) systémy poháňané teplom

Plošne rozsiahle strechy predstavujú zároveň aj zaujímavú a pritom disponibilnú plochu na zber tepelnej energie v termosolárnych kolektoroch, a to nielen v dobre známych plochých riešeniach vhodných na nižšie teploty, ale aj v opätovne využívaných Fresnelových solárnych kolektoroch s rovinnými reflexnými zrkadlami otočnými okolo jednej osi, ktoré umožňujú dosiahnuť podstatne vyššie teploty – až do 300 °C.

Fresnelove solárne kolektory – vhodný zdroj pohonného tepla

Základom Fresnelových kolektorov sú vyleštené rovinné plechy s jednoduchým osovým natáčaním v horizontále (riadiaci systém nie je zložitý), ktoré odrážajú slnečné žiarenie na absorbér. Absorbérom je sklenená alebo iná priehľadná rúra pod odrazovou strieškou.

Dôležitá je možnosť pomerne ľahkého nastavovania teplôt teplonosnej kvapaliny, či už teplo slúži na priame využitie v prípadne priemyselnej prevádzky, alebo ako pohonná energia chladiacich strojov v klimatizácii. Kolektorové polia umiestnené na strechách zároveň predstavujú významný tieniaci prvok a zbavujú budovu nežiaducich tepelných tokov.

Disponibilné termosolárne chladiace systémy

V oblasti techniky prostredia budov existujú v súčasnosti dva reálne použiteľné termosolárne chladiace systémy – jednak absorpčné systémy (pri nadnulových teplotách, spravidla s pracovnými látkami LiBr/voda) alebo paroprúdové (ejektorové) chladiace systémy.

Absorpčné systémy patria k chladiarenskej klasike, v minulosti sa hojne využívali a dodnes sú v ponuke veľkých dodávateľov. Ich vyššiu cenu kompenzujú nízke prevádzkové náklady – ak využívajú napríklad teplo zo striech. Pracujú približne od teploty 70 °C, na vyššiu účinnosť sú vhodnejšie pohonné teploty 90 až 130 °C.

Ejektorové chladiace stroje sa využívali vo veľkom v ére parných strojov, sú to jednoduché, lacné a spoľahlivé stroje určené na stabilné výkony, náročne sa však regulujú pri nestabilných podmienkach. Chlad produkujú pri dodávaných teplotách od 65 do 150 °C (150 °C pre vodu ako chladivo v okruhu). Ak je teplo k dispozícii „bezplatne“ (napr. zo striech), sú ich prevádzkové náklady prakticky zanedbateľné.

Tieto stroje už nie sú v bežnej ponuke chladiarenských dodávateľov, treba ich navrhnúť s ohľadom na konkrétne podmienky užívateľa, ale okrem dýzy (ejektora), ktorá jediná je náročnejším komponentom, pozostávajú z dostupných a nie drahých komponentov (hlavne z výmenníkov tepla), takže stavba takéhoto stroja je realizovateľná pomerne nekomplikovane.

Veľkou prevádzkovou výhodou oboch typov chladiacich/klimatizačných strojov je možnosť používať v nich ako chladivo vodu. Faktom totiž je, že nová, už tretia (síce „ekologická“), generácia klasických chladív zo skupiny halogénovaných uhľovodíkov sa dostala do nepríjemných byrokratických komplikácií v súvislosti s evidenciou, nútenou recykláciou a množstevnými limitmi pre náplne v jednotlivých strojoch, pričom ich cena oproti pôvodným chladivám je asi 10-násobná.

Záver

Strecha v lete predstavuje najmä pri plochých budovách energeticky zaujímavú časť stavby – jednak ako vstupná brána pre nežiaduce tepelné záťaže, ale tiež ako potenciálny zdroj tepla
(a to aj vysokoteplotného), ktorý môže slúžiť na pohon solárnych chladiacich/klimatizačných systémov v budove. Vákuové alebo Fresnelove solárne kolektory predstavujú v kombinácii s absorpčnými alebo paroprúdovými chladiacimi strojmi funkčnú alternatívu popri klasických kompresorových klimatizáciách poháňaných elektrickou energiou. Stále však platí, že najjednoduchšou alternatívou je obmedziť tepelné toky do budovy, nie prečerpávať nežiaduce teplo von z budovy.

Literatúra
1. Petráš, D. a kol.: Vykurovanie veľkopriestorových a hal. objektov. Bratislava: JAGA, 2007.
2. TAKÁCS, J. – STRAKOVÁ, Z. – RÁCZ, L.: Costs
Analysis of Circulation Pumps for Heating of Residential Building. In: Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 2018, vol. 62, issue 1,
s. 10 – 15, online na https://pp.bme.hu/me/article/view/10606.
3. STRAKOVÁ, Z. – OLBŘÍMEK, J.: Air Distribution in Accordance with Fire Regulation. In Expres 2018: Proceedings from 10th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency. Subotica, Serbia, 05. – 07. 4. 2018 [CD]. Subotica: Cikos stampa coo., 2018. s. 7 – 10.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK 3/2019.