Aplikace tepelně aktivních panelů v budovách s využitím OZE

Interiérové tepelně aktivní panely s integrovanou aktivní plochou (ITAP panely) inovativním způsobem spojují stávající stavební a energetické systémy do jednoho kompaktního celku a tím vytvářejí kombinované stavebně energetické systémy. Jedná se o stavební konstrukce s vnitřním zdrojem energie. Nízké tepelné ztráty, resp. tepelné zisky predikují pro energeticky úsporné stavby aplikaci nízkoteplotních otopných / vysokoteplotních systémů, jako jsou velkoplošné podlahové, stěnové a stropní vytápění / chlazení, které predikují zejména aplikaci zdrojů tepla využívajících OZE.

ITAP panely jsou v současnosti ve fázi experimentálního ověřování. Tvořené jsou trubkovým nebo kapilárovým energetickým systémem integrovaným v tepelněizolační části panelu a tepelně aktivním povrchem tvořeným tepelně vodivým materiálem (např. tenkovrstvá omítka, deska sádrokartonu nebo plechu). Aplikují se stejným způsobem jako dosud známé panely s integrovanými trubkovými nebo kapilárními systémy (např. v SD deskách). ITAP panely jsou chráněny evropským patentem EP 2 572 057 B1 z 15. 10. 2014 (autor: Kalus, D.) [1].

Výzkum v této oblasti jsme zaměřili na možnosti aplikace ITAP panelů pro velkoplošné nízkoteplotní vytápění a vysokoteplotní chlazení se zdroji tepla/chladu na bázi OZE [1], [2], [3], [4]. Předmětem popisovaného výzkumu v tomto příspěvku je parametrická studie způsobu šíření tepla/chladu ve fragmentu obvodové stěny a vnitřní stěny s podomítkovým trubkovým energetickým systémem a s ATIP panely, optimalizace příslušné tloušťky tepelné izolace, dimenzí a rozteče trubek interiérových tepelně aktivních panelů s integrovanou aktivní plochou [1], [2], [3], [4].

Matematicko-fyzikální model

Jako základ pro parametrickou studii byl vyhotoven matematicko-fyzikální model pro podomítkové velkoplošné vytápění (obr. 1) a matematicko-fyzikální model pro ITAP panely (obr. 2). Na matematicko-fyzikálních modelech jsou barevně odlišeny materiály, ze kterých se skládají charakteristické fragmenty obvodové stěny a vnitřní stěny s podomítkovým energetickým systémem a ITAP panely. Jednotlivým materiálům byly přiřazeny materiálové charakteristiky: d – tloušťka [m], ρ – objemová hmotnost [kg / m3], λ – součinitel tepelné vodivosti [W / (mK)], c – měrná tepelná kapacita [J / (kg.K)], [1], [2], [3], [4].

Parametrická studie

Parametrická studie pro popsaný matematicko-fyzikální model – fragmentu obvodové a vnitřní stěny s ITAP panely (obr.2) – byla provedena na matematickém konfigurátoru, výpočet velkoplošného sálavého vytápění (VVSZ) proběhl v MS Excelu (autor – Kalus, D.). Vstupní údaje, které lze měnit: tloušťka tepelné izolace (ITAP panelu), rozestup a dimenze trubek, teplotní spád teplonosné látky a teplota v interiéru, exteriéru, respektive v sousední místnosti, skladby a tloušťky stavebních konstrukcí před/nad a za/pod trubkami, tepelnětechnické vlastnosti stavebních materiálů (tepelná vodivost materiálů, součinitel prostupu tepla).

Parametrické výpočty byly provedeny při okrajových podmínkách představujících zimní období q_e = -11 °C. V tab. 1 jsou uvedena vstupní kritéria pro parametrickou studii obvodové stěny s ITAP panely – topné období: tloušťka tepelné izolace 50 mm, dimenze trubek 15 mm, interiérová teplota +20 °C, exteriérová teplota -11 °C, střední teplota teplonosné látky +35 °C, rozestup trubek 100 mm. Pomocí matematického konfigurátoru byly vypočteny následující parametry stěnového velkoplošného vytápění s ITAP panely na obvodové stěně:

• tepelný tok do interiéru 99,685 W/m²,
• tepelný tok do exteriéru 4,282 W/m²,
• celkový tepelný tok 103,967 W/m²,
• celkové ztráty tepelného toku 4,12 %,
• povrchová teplota 30,310 °C.

Topný a chladicí výkon ITAP panelů

Pomocí matematického konfigurátoru byly vypočteny topné a chladicí tepelné toky ITAP panelů z EPS-F tl. 50 mm s roztečí trubek L = 100 mm (tab. 1). Při výpočtu topných tepelných toků jsme uvažovali se střední teplotou topné látky 25 °C, 30 °C, 35 °C, 40 °C, teplotami v interiéru 16 °C, 18 °C, 20 °C, 22 °C, 24 °C . Při výpočtu chladicích tepelných toků jsme uvažovali se střední teplotou topné látky 15 °C, 16 °C, 17 °C, 18 °C a teplotami v interiéru 20 °C, 22 °C, 24 °C, 25 °C, 26 °C. Kromě tepelných toků do interiéru, exteriéru a celkového tepelného toku byla stanovena i povrchová teplota ITAP panelů.

Závěr

Na základě parametrické studie ITAP panelů a podomítkového trubkového energetického systému na obvodové stěně a vnitřní stěně mezi dvěma místnostmi bylo zjištěno:

• Tloušťka tepelné izolace ITAP panelů při aplikací na obvodové stěny nemá z hlediska energetického téměř žádný vliv. Tepelné topné a chladicí toky jsou přibližně stejné jako při podomítkovém trubkovém systému.
• Při aplikaci velkoplošného sálavého vytápění /chlazení podomítkovým trubkovým energetickým systémem a pomocí ITAP panelů na vnitřních stěnách, které mají horší tepelný odpor než obvodové stěny, vykazují ITAP panely při vytápění a chlazení úsporu oproti podomítkovému trubkovému energetickému systému díky tepelné izolaci, která upravuje tepelnou propustnost vrstev stěny za trubkami směrem do sousední místnosti Λ_b (Wm^-2.K^-1). V případě vnitřní stěny (tl. keramických tvarovek 240 mm, tepelná vodivost materiálu 0,510 W / (m².K)), vykazují ITAP panely při vytápění úsporu cca 13 % a při chlazení cca 11 %.
• Výrazný vliv na topný a chladicí výkon ITAP panelů, rovněž podomítkového trubkového energetického systému, má střední teplota teplonosné látky a interiérová teplota vytápěného/chlazeného prostoru (tab. 1) a také rozestup trubek, např. při změně z L = 100 mm na L = 150 mm se jedná o snížení výkonu o cca 15 až 20 % a na L = 200 mm o snížení výkonu až cca o 30 až 35 %.
• Vliv exteriérové ​​teploty, resp. teploty v sousedním prostoru, na topný a chladicí výkon ITAP panelů, rovněž podomítkového trubkového energetického systému, představuje odchylku cca do 5 % v závislosti na tepelněizolačních vlastnostech stavebních konstrukcí, na kterých jsou aplikovány velkoplošné sálavé energetické systémy. Vliv změny dimenze trubek ITAP panelů, rovněž podomítkového trubkového energetického systému, z průměru d = 15 mm na d = 20 mm na topný a chladicí výkon představuje odchylku cca 2,5%.

Hlavním přínosem ITAP panelů – interiérových tepelně aktivních panelů s integrovanou aktivní plochou – je možnost unifikované a prefabrikované výroby. Zároveň představují snížení výrobních nákladů vzhledem k jejich technologicky jednoduššímu postupu výroby (DN trubek pro tepelněizolační část ITAP panelů není omezena tak, jako u panelů s trubkami v SD), snížení montážních nákladů vzhledem ke snížení kroků při realizaci na stavbě a snížení času realizace vzhledem k jejich způsob aplikace. ITAP panely jsou předurčeny zejména k aplikaci se zdroji využívajícími OZE.

Tento příspěvek byl podporován Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky prostřednictvím grantu KEGA 044STU – 4/2018 pod názvem: „Energetické audity a energetická certifikace budov“

Literatura

[1] Preklad európskeho patentového spisu EP 2 572 057 B1. Tepelno-izolačný panel pre systémy s aktívnym riadením prechodu tepla. Pôvodca: doc. Ing. Daniel Kalús, Ph.D. Dátum vydania európskeho patentového spisu: 15. 10. 2014. Dátum sprístupnenia prekladu patentového spisu verejnosti: 2. 10. 2015. Vydal: Úrad priemyselného vlastníctva Slovenskej republiky, Banská Bystrica, 2015, číslo dokumentu E 18881.

[2] CVÍČELA, M.: Analýza stenových energetických systémov. Dizertačná práca. Slovenská Technická Univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2011, 119 s., SVF-13422-17675.

[3] JANÍK, P.: Optimalizácia energetických systémov s dlhodobou akumuláciou tepla. Dizertačná práca. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2013, 185 s., SvF-13422-16657.

[4] ŠIMKO, M.: Analýza a využitie obnoviteľných zdrojov energie pri aplikácii aktívnej tepelnej ochrany pri rekonštrukciách obytných budov. Písomná časť dizertačnej skúšky. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta, Slovenská republika 2014, 88 s.

Článek byl publikován v časopise TZB Haustechnik 4/2020.