Veľkoplošné stropné systémy zažívajú v súčasnosti renesanciu

Stropné vykurovacie a chladiace systémy majú svoje špecifické vlastnosti, ktoré môžu v niektorých prípadoch sťažovať reguláciu výkonu. V súčasnosti zažívajú renesanciu a predstavujú modernú alternatívu vytvárania zdravej mikroklímy budov.

V závislosti od konštrukčného vyhotovenia rozvodného systému teplonosnej látky a zdroja energie môžu svojou vykurovacou, ale aj chladiacou prevádzkou zabezpečovať celoročne tepelnú pohodu interiérov – či už pokrývaním tepelných strát v chladnom období roka, alebo odvádzaním tepelnej záťaže v teplom období roka [1].

Tieto dva spôsoby prevádzky môžu byť realizované oddelene centrálnym prepínaním režimov zima/leto alebo paralelne v rovnakom období roka na vykurovanie alebo chladenie v rámci budovy, zóny či miestnosti.

Vlastnosti vplývajúce na voľbu spôsobu riadenia

Medzi faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri voľbe spôsobu riadenia jednotlivých prvkov riadiaceho systému, patria konštrukčné vyhotovenie stropnej plochy, hydraulické zapojenia stropných systémov, požiadavky na teploty teplonosnej látky a spôsob prevádzky stropného vykurovacieho a chladiaceho systému.

Konštrukčné vyhotovenie stropnej plochy

Základnou časťou stropného systému sú rozvodné rúrky v podobe registra, ktoré sú zabudované priamo v stavebnej konštrukcii stropu a tvoria tak jej súčasť, alebo sú oddelené a pripevnené ku konštrukcii stropu ako jednoliata plocha, resp. vo forme panelov.

Systémy so zabudovanými registrami sa často označujú aj ako masívne stropy. Z hľadiska dynamických vlastností reagujú tieto systémy na regulačný zásah s dlhou časovou odpoveďou, ktorá sa pohybuje od 4 do 8 hodín v závislosti od umiestnenia rúrkového registra (obr. 1).

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 (obr. 2). V porovnaní s masívnymi stropmi sa vyznačujú podstatne rýchlejšou reakciou na zásah riadiaceho systému. Reakcia na regulačný zásah sa pohybuje od 30 minút do dvoch hodín.

Hydraulické zapojenia stropných systémov

Pre stropné vykurovanie a chladenie sa používajú tieto hydraulické zapojenia:

• 2-rúrový systém: pozostáva z dvojice potrubí, prívodného a vratného, ktorými sa rozvádza teplonosná látka do teplovýmenných plôch. Teplovýmenné plochy sú navrhnuté len na jeden účel – vykurovanie alebo chladenie.
• 2-rúrový systém s prepínaním: pozostáva z dvojice potrubí, pričom podľa aktuálnej potreby sa privádza buď vykurovacia, alebo chladiaca teplonosná látka, nie je možná súčasná prevádzka vykurovania a chladenia. Režim sa prepína podľa sezóny centrálne. Pri tomto zapojení treba zohľadniť, že vzhľadom na rovnakú dimenziu potrubia pri oboch režimoch sa nemôžu prietoky teplonosných látok výrazne odlišovať.
• 3-rúrový systém: je charakterizovaný 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 spravidla nenavrhuje.
• 4-rúrový systém: vyznačuje sa dvomi samostatnými dvojrúrovými rozvodmi pre vykurovaciu a chladiacu teplonosnú látku. Umožňuje súčasné vykurovanie alebo chladenie, avšak so sekvenciou ventilov vykurovacej a chladiacej vody.

Teplota teplonosnej látky

Hygienické kritériá pre vnútorné prostredie budov sú zakotvené v niekoľkých legislatívnych predpisoch. Podľa [1] a [2] musia byť v priestoroch určených pre dlhodobý pobyt ľudí vykonávajúcich činnosť prevažne posediačky (triedy práce 0 až 1b) splnené tieto požiadavky:

• rozdiel operatívnej teploty vzduchu medzi úrovňou hlavy a členkov nie je väčší ako 3 K v chladnom období roka a 2 K v teplom období roka,
• asymetria teploty sálania od teplého stropu alebo iných horizontálnych povrchov nie je väčšia ako 5 °C,
• sálanie na hlavu nesmie byť väčšie ako 200 W/m2,
• na žiadnom mieste vnútorného povrchu stavebných konštrukcií nesmú byť viditeľné stopy po plesni ani po kondenzácii vodnej pary.

Z týchto požiadaviek vyplývajú aj teploty teplonosnej látky:

a) pre vykurovací režim prevádzky stropného systému:

• teplota prívodnej vody sa navrhuje v rozmedzí 40 až 45 °C;
• 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 vápennocementových omietkach najviac 50 °C.

b) pre chladiaci režim prevádzky stropného systému:

• z dôvodu zabránenia kondenzácie vodnej pary na povrchu stropu sa teplota prívodu volí o 1 až 2 K vyššia, ako je teplota rosného bodu vzduchu, čo je v našich podmienkach 16 až 17 °C, maximálne však 20 °C;
• teplotný rozdiel medzi prívodnou a vratnou chladiacou vodou býva spravidla 2 až 4 K.

Požiadavky na riadiaci systém

Voľba spôsobu riadenia výkonu stropných vykurovacích a chladiacich systémov vychádza z ich celkovej technickej koncepcie. Riadiaci systém vykurovania a chladenia musí plniť tieto úlohy:

• regulovať výkon energetického systému tak, aby boli zabezpečené požiadavky na kvalitu vnútorného prostredia v zmysle legislatívnych predpisov, napr. [1, 2];
• zabrániť tomu, aby teplota povrchu stropu:
  • spôsobila vo vykurovacej prevádzke prekročenie asymetrie radiačnej teploty (treba obmedziť maximálnu teplotu prívodu vo vykurovacej prevádzke),
  • v chladiacej prevádzke vylúčila riziko kondenzácie vodnej pary obsiahnutej vo vnútornom vzduchu (treba 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.

Riadenie tepelného výkonu

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

Ekvitermická regulácia 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). Pri okruhoch veľkoplošného stropného vykurovania sa najčastejšie používa ekvitermická regulácia teploty vykurovacej vody.

Regulátor počíta žiadanú hodnotu teploty vykurovacej vody podľa nastavenej vykurovacej krivky. Akčným členom regulácie je trojcestný zmiešavací ventil s pohonom. Riadiacou veličinou regulácie je upravená vonkajšia teplota, ktorú regulátor prepočíta z aktuálnej vonkajšej teploty na základe tepelnej zotrvačnosti stavebného objektu. Tepelná zotrvačnosť objektu sa pritom musí zohľadniť už pri návrhu energetického systému.

Ekvitermická regulácia teploty vykurovacej vody s prednostnou prípravou teplej vody

V malých objektoch s jedným zdrojom tepla, ktoré majú spravidla jeden okruh pre vykurovanie a jeden okruh na prípravu teplej vody (ďalej TV), sa výkon zdroja riadi priamo podľa nastavenej vykurovacej krivky. Ak je zdrojom tepla tepelné čerpadlo, regulovanou veličinou môže byť teplota vratnej vykurovacej vody z okruhu stropného vykurovania.

Ak nastane požiadavka na ohrev vody, zdroj tepla sa prepne z režimu vykurovania do režimu prípravy TV, zvýši sa jeho výkon a zablokuje sa prevádzka vykurovacieho okruhu (napr. presmerovaním toku vykurovacej vody z vykurovacej sústavy do zásobníka cez trojcestný prepínací ventil). Príklad takejto schémy je na obr. 3. Ak výstupná teplota zdroja nestačí na prípravu TV na požadovanú hodnotu, uvedie sa do prevádzky prídavný zdroj tepla, napr. elektrické teleso integrované v zásobníku.

Individuálna regulácia výkonu stropných plôch

Miestnosti alebo skupiny miestností so stropnými plochami môžu tvoriť zóny, pričom 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.

Tento spôsob regulácie je však efektívny len pri ľahkých stropoch s dobrými dynamickými vlastnosťami, ako sú aktívne sadrokartónové dosky s integrovanými rúrkami, lamelové stropy, podomietkové systémy a panely umiestnené v podhľade. Pri masívnych stropoch je tento spôsob regulácie nevhodný vzhľadom na dlhú reakciu na regulačný zásah.

Riadenine chladiaceho výkonu

Zdrojom chladu pre veľkoplošné stropné chladenie môže byť tepelné čerpadlo, priame chladenie vodou zo studne alebo priame chladenie vodou zo zemného výmenníka. Dôležité je tiež zabrániť kondenzácii vodných pár obsiahnutých v priestore na povrchu stropu [5], čo sa realizuje dvomi spôsobmi:

1. regulátor uzatvára prívod chladiacej vody do jednotlivých okruhov v prípade dosiahnutia minimálnej teploty prívodu (spravidla 16 °C) – pasívna ochrana,
2. regulátor riadi teplotu prívodu chladiacej vody podľa teploty rosného bodu vzduchu aktívna ochrana.

Centrálna/zónová regulácia teploty prívodu chladiacej vody

Teplota prívodu chladiacej vody je riadená 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, strop môže naďalej pracovať s mierne zníženým výkonom. Rosný bod (RB) alebo teplota rosného bodu je teplota, pri ktorej je vzduch maximálne nasýtený vodnými parami (relatívna vlhkosť vzduchu dosiahne 100 %).

Žiadanú teplotu RB regulátor počíta na základe nameranej teploty a relatívnej vlhkosti z jednotlivých snímačov. Vyrábajú sa však aj kombinované snímače, ktoré už majú túto funkciu integrovanú. Určenie teploty rosného bodu je demonštrované pomocou hx-diagramu na obr. 4. Pri teplote 25 °C a relatívnej vlhkosti 50 % je teplota RB 13,9 % (červené čiary). Pri zvýšení vlhkosti na 60 % pri tej istej teplote vzduchu je teplota RB 16,7 % (zelené čiary). V grafe je relatívna vlhkosť v celých číslach (napr. 0,6 = 60 %).

Tento spôsob riadenia je mimoriadne vhodný aj pre masívne stropy, ktoré reagujú na regulačný zásah s veľkou časovou reakciou.

Aj v prípade centrálnej regulácie teploty prívodu chladiacej vody môžu byť jednotlivé miestnosti vybavené ešte pasívnou ochranou, keď regulátor v prípade dosiahnutia nastavenej hodnoty vlhkosti uzatvára prívod do príslušného chladiaceho okruhu.

Práve pre riziko kondenzácie vplyvom zvýšenia teploty rosného bodu vzduchu (či už v dôsledku prieniku vonkajšieho vzduchu do vnútorných priestorov, alebo výskytu vnútorných vlhkostných ziskov) je vhodné navrhovať stropné chladiace systémy v kombinácii s núteným vetraním s úpravou parametrov privádzaného vzduchu.

Na obr. 5 je znázornený princíp centrálnej regulácie teploty prívodu vykurovacej látky podľa vonkajšej teploty a centrálnej regulácie teploty prívodu chladiacej látky podľa teploty rosného bodu vnútorného vzduchu v referenčnej miestnosti.

Individuálna regulácia výkonu stropných plôch

V jednotlivých zónach sa realizuje regulácia výkonu stropných plôch podľa teploty vzduchu škrtením prívodu teplonosnej látky dvojcestnými regulačnými ventilmi podobne ako pri vykurovacom režime. Ako ochrana pred kondenzáciou sa na najchladnejšom mieste systému, spravidla na prívodnom potrubí, inštaluje snímač vlhkosti. Snímač komunikuje s regulátorom alebo konvertorom rosného bodu. Pri dosiahnutí nastavenej vlhkosti dochádza k uzavretiu prívodu chladiacej vody (pasívna ochrana).

Aktiváciou ochrany sa znižuje priemerný chladiaci výkon privedený do miestnosti a chladenie je celkovo menej účinné, čo je nevýhodou. Regulátor môže byť vybavený ešte ďalšími funkciami, ktoré optimalizujú prevádzku – napríklad funkciou otvorené okno (uzavrie prívod pri aktivácii okenných kontaktov) alebo indikáciou prítomnosti osôb (otvorenie prívodu pri aktivácii snímača pohybu).

Individuálna regulácia výkonu stropného chladenia – 2-rúrový systém

V prípade čistých chladiacich stropov sa zvyčajne používa vykurovanie priestorov prostredníctvom samostatného systému odovzdávania tepla (napr. vykurovacie teleso s ventilom s termostatickou hlavicou). Regulačný obvod pre jednu miestnosť pozostáva z týchto komponentov: priestorový termostat (pre 2-rúrový systém), dvojcestný regulačný ventil s pohonom a snímač vlhkosti.

Snímače teploty patria v tomto prípade do rôznych regulačných obvodov, preto chladenie a vykurovanie nemôže prebiehať súčasne, musí to byť centrálne zablokované. Schéma takéhoto systému je na obr. 6.

Individuálna regulácia výkonu stropného vykurovania a chladenia – 4-rúrový systém

Pri tomto zapojení je chladiaca a vykurovacia teplonosná látka neustále k dispozícii podľa potreby pre každú jednotlivú zónu bez ohľadu na požiadavky v susedných miestnostiach. Regulačný obvod pozostáva z týchto komponentov: priestorový termostat (pre 4-rúrový systém), dvojcestný regulačný ventil s pohonom pre chladenie, dvojcestný ventil s pohonom (zap./vyp. chladenie), snímač vlhkosti, regulačný ventil s pohonom pre vykurovanie a dvojcestný ventil s pohonom (zap./vyp. vykurovanie).

Ventily zap./vyp. zabezpečujú úplné oddelenie vykurovacej a chladiacej prevádzky. Schéma takéhoto systému je na obr. 7.

Záver

Vykurovanie a chladenie stropnými systémami je vhodné kombinovať s paralelne pracujúcim vzduchotechnickým zariadením. Úprava prívodného vzduchu spočíva vo filtrácii, v ohreve, prípadne v chladení či vo vlhčení. Množstvo prívodného vzduchu je však redukované tak, aby sa zabezpečila dávka čerstvého vonkajšieho vzduchu, prípadne ak nepostačuje výkon stropného systému, aby sa pokryla časť tepelnej straty miestnosti vo vykurovacej prevádzke a odviedla tepelná záťaž latentným teplom v chladiacej prevádzke.

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 napríklad aj pri zhromažďovacích priestoroch, ako sú koncertné sály alebo konferenčné miestnosti, kde je veľká obsadenosť a ľudia produkujú teplo viazané vo vodnej pare. Do takýchto priestorov je tiež potrebné 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, Katedra TZB SvF STU

Článok bol uverejnený v časopise TZB 5/2024