Využitie tepelne aktívnych prvkov stavebnej konštrukcie

Systémy tepelne aktívnych prvkov stavebnej konštrukcie (v angličtine Thermally-Active Building Systems – TABS) predstavujú v Európe často realizované riešenie chladenia a vykurovania – najmä administratívnych budov. Umožňujú úpravu tepelných parametrov vnútorného prostredia v budove s využitím tepelnej kapacity konštrukcie budovy na akumuláciu energie. Zároveň vytvárajú podmienky na zníženie prevádzkových nákladov a lepšie využitie obnoviteľných zdrojov energie. 

Všeobecné vlastnosti a voľba systému
Fyzikálny princíp systému s integrovanými rúrkovými registrami v oceľovo-betónovom strope využíva počas prevádzky tepelnú kapacitu stavebnej konštrukcie [1], [2]. Na dosiahnutie akumulácie tepla má systém vo väčšine prípadov register rúrok integrovaný uprostred stropnej konštrukcie alebo steny. Samotná akumulácia a výmena tepla do priestoru môže vzhľadom na využívanie budovy nastať v rôznom čase. V nočnom čase sa konštrukcia vychladzuje (leto) a počas dňa sa do nej akumuluje teplo z vnútorných a vonkajších ziskov. Takýmto spôsobom sa dosiahne zníženie špičkovej dennej záťaže a tepelné zisky sa odvádzajú v čase mimo pracovného času, čo umožňuje využiť zvýhodnenú nočnú tarifu na odber elektrickej energie a znížiť potrebný inštalovaný tepelný výkon chladiaceho zariadenia približne o 30 až 40 %.

Dôležitou prevádzkovou vlastnosťou systému je, že nedokáže udržiavať teplotu v miestnosti v takom úzkom rozsahu ako klimatizačný systém. V praxi väčšinou dochádza k miernemu nárastu teploty počas dňa o približne 0,3 až 0,5 °C/h. Systém môže pracovať v režime chladenia aj vykurovania a využíva teplonosné médium (vodu) takej teploty, ktorá je v oboch režimoch blízka teplote v miestnosti (rozdiel je zvyčajne menší než 10 °C). Táto vlastnosť umožňuje efektívnejšie využívanie nízkopotenciálnych zdrojov energie, ako sú tepelná čerpadlá, zemné výmenníky tepla a podobne. Malý teplotný rozdiel medzi aktívnou konštrukciou a miestnosťou sa prejavuje aj v takzvanej samoregulačnej schopnosti systému. Iba nepatrná teplotná zmena medzi teplovýmenným povrchom a miestnosťou dokáže výrazne zmeniť prestup tepla, ktorý je charakterizovaný výraznou zmenou súčiniteľa prestupu tepla konvekciou.

Za účelom efektívneho využívania systému by mala byť budova vybavená tepelne izolovanou obalovou konštrukciou (príp. účinným tieniacim systémom) a mala by mať malé a pokiaľ možno rovnaké tepelné straty a zisky. Dôležitý je pravidelný charakter denného cyklu vnútorných tepelných záťaží. Na základe skúseností možno stanoviť optimálnu tepelnú záťaž do 30 W/m². V prípade predpokladanej vyššej tepelnej záťaže v rozsahu 40 až 60 W/m² je pri návrhu nevyhnutné overiť dynamické správanie systému pomocou počítačovej simulácie. V budovách, kde tepelná záťaž prevyšuje 60 W/m², sa odporúča nainštalovať doplnkový systém s rýchlejšou odozvou na úpravu tepelného prostredia.

Výmena tepla a dynamické správanie systému
Z fyzikálneho hľadiska závisí pomer množstva tepla vymeneného medzi teplovýmenným povrchom aktívnej konštrukcie a miestnosťou sálaním a konvekciou od aktuálneho režimu (chladenie alebo vykurovanie) a tiež od pozície aktívneho elementu v miestnosti (strop, stena, podlaha). Tento pomer sa pohybuje od 1/1 do 9/1 a možno ho určiť z porovnania súčiniteľov prestupu tepla. Detailný opis dosahovaných hodnôt súčiniteľa prestupu tepla bol už detailne opísaný v literatúre [3]. Rozdelenie pomeru prestupu tepla cez strop a podlahu závisí od zloženia danej stavebnej konštrukcie. Zaradenie tepelnej/akustickej izolácie alebo vzduchovej medzery do konštrukcie steny (podlahy) na vedenie inštalácii výrazne zníži prestup tepla podlahou do miestnosti smerom nahor (obr. 1).

Obr. 1 Rozloženie teploty v tepelne aktívnej konštrukcii – zloženie s akustickou izoláciou (vľavo) a vzduchovou medzerou (vpravo) [2]

Prevádzka TAB systému v administratívnej budove v Hamburgu
V budove S-KAI v Hamburgu (oblasť Hafen City) sa v lete 2009 vykonalo meranie, ktorého cieľom bolo overiť správanie a výkon Uponor TAB systému v letnej prevádzke počas najteplejšieho letného dňa s vonkajšou teplotou 34 °C [4]. Výber extrémne teplého dňa ukazuje najvyššiu záťaž systému – v ostatných dňoch, keď bude teplota počas dňa nižšia, budú aj teplotné podmienky v hodnotenej budove priaznivejšie. Budova je novostavbou.

Metóda merania
Merali sa dve miestnosti na južnej zasklenej fasáde v druhom nadzemnom podlaží:  veľkoplošná kancelária orientovaná na juh a rohová kancelária otočená na juhozápad.

Miestnosti sú vybavené žalúziami, tie sa však počas merania nepoužili. V každej miestnosti sa merali dva modelové prípady:
A. stav s otvorenými oknami (15.00 – 17.00 h),
B. stav 30 minút po zatvorení okien (17.30 – 18.30 h).

Namerané parametre
Meraním sa zistili tieto parametre: teplota chladiaceho média 17/19,5 °C, vonkajšia teplota 34 °C. relatívna vlhkosť vo vonkajšom prostredí bola 48 %.

V budove sa nameral tepelný výkon 55 W/m² a systém potvrdil schopnosť vychladiť administratívnu budovu aj počas špičkovej chladiacej záťaže v lete, ktorá je typická pre strednú Európu. Pri dlhodobom otvorení okien narástla teplota v miestnosti vďaka teplému vonkajšiemu vzduchu na  33 °C. Po uzavretí okien systém pomocou predchladenej tepelne aktívnej konštrukcie ochladili hodnotené miestnosti za 30 minút, a to z 33 °C na 26 °C.

Budúcnosť tepelne aktívnych konštrukcií
Po rokoch výskumu a vývoja je systém TABS plne vyvinutý, aplikovateľný a komerčne široko dostupný. V súčasnosti sa často inštaluje v širokej palete budov,  predovšetkým však v nemecky hovoriacich krajinách. Výroba celých prefabrikovaných stropných blokov s vopred integrovanými rúrkovými registrami, rozdeľovačmi prináša uľahčenie výroby a montáže [3]. 

V Nemecku bol vyvinutý vysokovýkonný TAB systém s rúrkami relatívne blízko k povrchu stropu. Konštrukcia tzv. tepelnej zásuvky (thermal socket) zasa vytvára priestor na zapojenie závesného chladiaceho panelu v miestnostiach zo zvýšenou chladiacou záťažou, ako sú napríklad konferenčné a rohové miestnosti [5].

V posledných rokoch bol vo Švajčiarsku vyvinutý systém akumulácie tabsRetofit na rekonštrukcie a tzv. „ľahké“ budovy. Systém je schopný využiť na akumuláciu citeľné aj latentné teplo pomocou špeciálnych materiá­lov – parafínov. [6].

Záver
V súčasnosti sa na Slovensku používa tepelná aktivácia na chladenie administratívnych budov iba zriedka. Väčšina kancelárskych budov sa stále chladí  pomocou „klasického“ riešenia vykurovania alebo klimatizácie s vysokými energetickými nárokmi. V budove s vysokou letnou tepelnou záťažou (napríklad so zasklenou fasádou) je prevádzka chladenia pomocou klimatizačného systému náročná nielen na energiu, ale aj na údržbu práve pre vysoké dávky vzduchu potrebné na tepelnú úpravu – vychladenie priestoru. Výhodou je udržiavanie parametrov mikroklímy v úzkom rozsahu komfortnej zóny. Napriek snahe projektantov sa však v týchto prípadoch vyskytuje často nespokojnosť z radov užívateľov, a to najmä z dôvodu obťažovania prievanom, či pre príliš nízko nastavené požadované teploty klimatizovanej miestnosti, alebo pre príznaky syndrómu chorých budov. Príklady z praxe ukazujú, že aj napriek jemnému kolísaniu teploty v miestnosti sa prostredie s úpravou tepelných podmienok použitím veľkoplošného sálavého systému vníma ako príjemnejšie a akceptovateľnejšie. Úprava parametrov kvality vnútorného vzduchu sa môže pri tomto systéme riešiť pomerne malým vetracím systémom, ktorý zabezpečí hygienické parametre vnútorného vzduchu.

Ing. Ján Babiak, PhD.
Recenzoval: Dr. Ing. Jakub Kolařík
Foto a obrázky: archív autora

Autor pôsobí v nemeckej spoločnosti Uponor GmbH. Na konferencii Vykurovanie 2012 získal Cenu mladého odborníka z oblasti vykurovania.

Literatúra
1.    Babiak, J.: Nízkoteplotné vykurovanie a vysokoteplotné chladenie s termoaktívnymi stropmi. In: TZB Haustechnik, 2005, č. 1, s. 24 – 26.
2.    Deecke, H. – Guenther, M. – Olesen, B. W.: Beton­kernaktivierung. Velta Nordestedt, Nemecko, 2003.
3.    Kolařík, J. – Babiak, J.: Použití tepelně aktivních prvků stavební konstrukce k vytápění a chlazení kancelářských budov – díl II. In: Vytápění, větrání, instalace, 2006, č. 5.
4.    Babiak, J. – Deecke, H.: Performance of the TAB-System Standard – Estimated by Means of a Measurement. In: Internal Project Report, Uponor GmbH Nordestedt, Nemecko.
5.    Praxishandbuch der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Uponor GmbH, Beuth Verlag GmbH, Berlin: Mercedes-Berlin, 2009.
6.    Koschenz, M. – Lehmann, B.: Thermoaktive Bauteilsysteme TABS. EMPA Duebendorf, Švajčiarsko, 2000.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.