Je aktivní tepelná ochrana jako stěnový energetický systém vhodnou alternativou?

Žijeme v době, která je z hlediska energetiky poznamenaná zbytečným plýtváním primárních zdrojů energie. Protože podstata aplikace, provozu a předpokládané rentabilnosti systému aktivní tepelné ochrany spočívá ve využívání sekundárních (obnovitelných) zdrojů energie, mohla by se na první pohled zdát aktivní tepelná ochrana jako vhodný pomocník ke snižování energetické náročnosti obytných budov a zároveň významně napomoci plnit přísná kritéria tepelné ochrany budov, stanovená normou.

Tento článek pojednává o tom, zda je aktivní tepelná ochrana (ATO) vhodnou alternativou pro obytné budovy.

V článku byla aktivní tepelná ochrana jako stěnový energetický systém podrobena srovnání s podomítkovým stěnovým energetickým systémem a se systémem tepelně aktivovaných stavebních konstrukcí (TABS). Toto srovnání bylo uskutečněno formou stacionárních simulací. Vhodnost aplikace tohoto energetického systému na obytných budovách byla též demonstrována formou investičního a energetického zhodnocení systému aktivní tepelné ochrany na experimentálním bytovém domě.

Matematicko-fyzikální model

Jako základ pro simulace byl vyhotoven matematicko-fyzikální model (viz obr. 1). Simulace byly prováděny v programu CalA (Calculation Area). Na obr. 1 (matematicko-fyzikální model) je vidět barevně odlišené materiály, z nichž se charakteristický fragment železobetonové stěny s aktivní tepelnou ochranou (ATO) skládá. Jednotlivým materiálům byly v programu CalA přiřazeny materiálové charakteristiky: d – tloušťka [m], ρ – objemová hmotnost [kg/m³], l – součinitel tepelné vodivosti [W/m.K], c – měrná tepelná kapacita [J/kg.K] [1,3,4].

Obr. 1 Matematicko-fyzikální model fragmentu železobetonové stěny s ATO a jednotlivé materiálové charakteristiky podle STN 73 0540 – 3 podle [4].

Srovnání ATO, TABS a podomítkového stěnového energetického systému

Předmětem srovnání byly energetické systémy aktivní tepelné ochrany, tepelně aktivovaného betonového jádra a stěnového vytápění. Okrajové podmínky byly u všech typů energetických systémů stejné. V trubkách proudila voda o teplotě 25 °C. Venkovní výpočtová teplota byla –11 °C a vnitřní výpočtová teplota byla 20 °C. Výsledkem srovnání byla teplotní pole, velikost a směr tepelného toku tří charakteristických modelů jednotlivých typů energetických systémů při rozestupu trubek 150 mm, tloušťce tepelné izolace 200 mm a 200 mm silné železobetonové nosné konstrukce viz obr. 2. Na obr. 2 znázorňuje písmeno E exteriér a písmeno I interiér.

Obr. 2  Porovnání: a) ATO, b) TABS (tepelně aktivované betonové jádro) a c) podomítkový stěnový energetický systém (stěnové vytápění) [4].

Na obr. 2 jsou viditelné rozdíly v umístění trubky v konstrukci. Už běžný laik v oblasti stavební tepelné techniky při pohledu na modely na obr. 2 může učinit závěr, že čím blíže k exteriéru se trubka nachází, tím nevýhodnější to pro přenos tepla z trubky směrem do interiéru je. Tuto skutečnost je dobře vidět na obr. 3, kde jsou deklarované hodnoty tepelných toků směrem do interié­ru, a to konkrétně hodnotou pro ATO 10,8 W/m2. UTABS je tepelný tok do interiéru dvojnásobný (20,7 W/m2) než u ATO a u nízkoteplotního vytápění je to 25,6 W/m2.

Obr. 3  Srovnání rozložení tepelných toků, zleva ATO,TABS a stěnové vytápění [4].

Co se týče tepelného toku směrem do exteriéru, je na tom ATO v porovnání s ostatními dvěma systémy také nejhůře. Hodnota tepel­ného toku směrem do exteriéru u ATO (25 °C) vzhledem k celkovému tepelnému toku představuje 16 %, u TABS je to 10 % a u nízkoteplotního vytápění je to 8 %, viz obr. 4. U všech energetických systémů zhruba 60 % z celkového tepelného toku se ztrácí ve staveb­ní konstrukci, přičemž tato hodnota samozřejmě u těchto systémů není stejná (obr. 4). Můžeme však předpokládat, že tento tepelný tok, který se ztrácí v konstrukci, bude spíše využitelný při alternativě stěnového vytápění a alternativě TABS, protože trubka je umístěna v prvém případě v interiéru a ve druhém případě ve středu železobetonové stěny. Tepelný tok, který se ztrácí v konstrukci, je využitelný například pro akumulační schopnost železobetonové stěny (aktivace betonového jádra). Na obr. 3 vidíme, že tepelný tok postupuje od trubky všemi směry. Z tohoto předpokladu můžeme dedukovat i vzhledem k umístění trubky (u ATO mezi tepelnou izolací, uTABS ve středu železobetonové stěny), že větší část tepelného toku, který směřuje do konstrukce, je schopen pro akumulaci tepla využít systém TABS. U ATO (25 °C) hodnota tepelného toku směřující do konstrukce představuje hodnotu 27 W/m2, přičemž část určitě směřuje i do tepelné izolace a část do železobetonu. U systému TABS (25 °C) tepelný tok směřující do stavební konstrukce představuje hodnotu 41,5 W/m2. V porovnání s ATO to představuje mnohem vyšší hodnotu, která se dá, vzhledem k umístění trubky, mnohem lépe využít při akumulaci tepla v železobetonu.

Obr. 4  Porovnání tepelných toků při aplikaci ATO, TABS a stěnového vytápění při teplotě vody v trubkách 25 °C, při exteriérové teplotě –11 °C a interiérové teplotě 20 °C.

Popis experimentálního bytového domu s ATO

• Identifikační údaje: Bytový dům se nachází v Bratislavě a jde o novostavbu. Zastavěná plocha čítá 303,2 m2 a obestavěný objem je 3638,4 m2. Bytový dům má čtyři NP a konstrukční výšku 3 m. První NP je nevytápěný prostor [5].
• Architektonické řešení: Půdorys objektu je přibližně obdélníkového tvaru. Největší půdorysné rozměry jsou 24,6 m a 13,85 m. Výška objektu nad úrovní terénu je 12,46 m. Úroveň ± 0,000 představuje 122 m n.m. [5].
• Dispoziční řešení: Bytový dům má jeden hlavní vstup a jedno schodiště. V prvním nadzemním podlaží se nacházejí sklepy, místnost pro TZB a společné prostory, ve zbylých třech podlažích se nacházejí byty. Dva byty v každém podlaží jsou třípokojové. Jeden byt v každém podlaží je jednopokojový s orientací na západ [5].
• Stavební řešení: Světlá výška podlaží je 2700 m a konstrukční výška podlaží je 3000 m. Bytový dům má příčný nosný systém ze železobetonu. Nosné stěny a stropní konstrukce jsou tloušťky 200 mm a jsou vyhotoveny z betonu třídy C25/30 a oceli 10 505 (R) – S500. Obvodové stěny a střecha jsou zatepleny izolací BAUMIT z polystyrenu tloušťky 200 mm. Strop nad nevytápěným prostorem je izolován od vytápěné části objektu izolací tloušťky 100 mm. Vnitřní nosné stěny a příčky jsou vyrobeny ze zdiva POROTHERM. Okna jsou vyrobena z plastu a opatřena izolačním trojsklem [5].

Tepelnětechnické vlastnosti stavebních konstrukcí

• Skladba střechy (obr. 5a): 1 – štěrková vrstva 100 mm, 2 – asfaltová hydroizolace 7 mm, 3 – TI BAUMITXPS – R 200 mm, 4 – asfaltová parozábrana 4 mm, Perlitbeton 40 mm, 5 – Perlitbeton 40 mm, 6 – železobetonová deska 200 mm, 7 – vnitřní omítka 10 mm [5].
• Skladba stěny (obr. 6a): 1 – vnitřní omítka 10 mm, 2 – železobetonová stěna 200 mm, 3 – lepicí malta 10 mm, 4 – TI BAUMITEPS – F 200 mm, 5 – lepicí malta + mřížka 10 mm, 6 – silikátová omítka 2 mm. [5].
• Skladba stropu nad nevytápěným prostorem (obr. 7a): 1 – dřevěné parkety 10 mm, 2 – betonová mazanina 45 mm, 3 – PE fólie 2 mm, 4 – BAUMIT PSE 100S 50 mm, 5 – železobetonová deska 200 mm, 6 – TI BAUMITXPS-R 100 mm, 7 – vnitřní omítka 10 mm [5].

Obr. 5 Skladba střechy s ATO (25 °C), model a teplotní pole [4,5].

Obr. 6  Skladba stěny s ATO (25 °C), model a teplotní pole [4,5].

Obr. 7  Skladba stropu nad nevytápěným prostorem, model a teplotní pole [4,5].

Simulace stavebních konstrukcí experimentálního domu s ATO

Pro potřeby energetické bilance experimentálního domu s ATO byly pro jednotlivé konstrukce s ATO na základě stacionárních simulací v programu CalA stanoveny tepelné toky do exteriéru qe, do interiéru qivo W/m2 a celkový tepelný tok qc. Rozestup trubek je 150 mm a okrajové podmínky θe = –11 °C a θi = 20 °C a teplota vody v ATO θv= 20 °C. Na obr. 8 vidíme matematicko-fyzikální model detailu styku obvodové stěny a střechy experimentálního domu sATO spolu s tabulkou materiálů a s jejich materiálovými vlastnostmi. Na obr. 8 taktéž vidíme teplotní pole a směr tepelných toků označené šipkami, na detailech obvodové stěny a střechy s ATO (20 °C) a bez ATO.

Obr. 8 Zleva model detailu obvodové stěny a střechy experimentálního domu s ATO, vpravo nahoře teplotní pole a tepelné toky detailem s ATO (20 °C) – tepelná bariéra ve vytápěcím období, vpravo dole detail bez ATO – zimní období, vlevo dole detail bez ATO – letní období [4,5].

Energetická bilance objektu

Pro návrh zařízení TZB a pro výpočet návratnosti systému ATO byla uskutečněna energetická bilance bytového domu ve vytápěcím období při okrajových podmínkách pro Bratislavský kraj. Byl vypočítán projektovaný tepelný příkon na vytápění pro experimentální rodinný dům bez ATO a s ATO při 20 °C, 25 °C a při 30 °C. Na základě rozdílů tepelných ztrát mezi alternativou experimentálního domu bez ATO a alternativou s ATO při 20 °C, 25 °C a při 30 °C byly vypočítány pro jednotlivé alternativy roční potřeby energie na vytápění. Následně bylo možné vykonat energetickou bilanci jednotlivých alternativ.

Obr. 9  Zleva teplotní pole a tepelné toky detailem s ATO (20 °C) – chlazení, vpravo teplotní pole a tepelné toky detailem s ATO (18 °C) – chlazení v letním období [4,5].

Projektovaný tepelný příkon na vytápění pro bytový dům bez ATO

Projektovaný tepelný příkon byl zpracován podle normy STN 12 831. Pro lokalitu Bratislava se počítá s vnější výpočtovou teplotou θe = –11 °C a průměrnou roční venkovní teplotou θm,e = 9,9 °C. Průměrná teplota venkovního vzduchu ve vytápěcím období θe, pr = 4,2 °C a počet vytápěcích dní v roce d = 210 dní. Celkový projektovaný tepelný příkon vypočítáme [5]:

kde Φi – celková projektovaná tepelná ztráta přechodem (W),
ΦRH,i – tepelný příkon na vytopení vytápěného prostoru (W).

Součet tepelných ztrát přechodem tepla všech vytápěných prostorů ΦT = 13 064 W. Tepelné ztráty větráním vytápěných prostorů ΦV = 10 935 W. Součet tepelných příkonů na vytopení všech vytápěných prostorů potřebný na vyrovnání vlivu přerušovaného vytápění ΦRH = 0 W. Projektovaný tepelný příkon pro celou budovu ΦHL= 23 999 W [5].

Obr. 10  Tepelné toky obvodovou stěnou s ATO (20, 25 a 30 °C).

Projektovaný tepelný příkon na vytápění pro bytový dům s ATO

Projektovaný tepelný příkon pro experimentální bytový dům s ATO byl stanoven na základě rozdílů tepelných ztrát mezi alternativou domu bez ATO a alternativami s ATO při různých teplotách vody v potrubí ATO. Vykonaly se simulace obvodové stěny s ATO a stropní konstrukce s ATO, viz obr. 8, při teplotě vody v ATO θv = 20, 25 a 30 °C. Výsledkem těchto simulací bylo zjištění velikosti tepelných toků (qi – tok do interiéru, qe – tok do exteriéru v W/m2), viz obr. 10. Určitá část tepelného toku se ztratí v konstrukci. Protože z výkresů bylo možné zjistit plochy, kde byla ATO aplikována,bylo možné přepočtem těchto tepelných toků stanovit ztrátu na m2 pro jednotlivé místnosti a následně i pro celý objekt už při aplikované aktivní tepelné ochraně při různých teplotách vody v potrubí. Takto vypočítané ztráty objektu s ATO se odpočítaly od ztráty objektu bez ATO (ΦHL = 23 999 W), viz obr. 11.

Obr. 11  Působení ATO při různých teplotách vody na tepelné ztráty objektu.

Stanovení potřeby energie na vytápění pro bytový dům bez ATO

Výpočet roční energie denostupňovou metodou podle STN 38 3350.

kde ε – součinitel nesoučasnosti tepelné ztráty infiltrací (0,8 až 0,9),
Φmax – maximální tepelná ztráta [W],
θI – vnitřní výpočtová teplota vytápěného prostoru [°C],
θe, pr – průměrná teplota venkovního vzduchu ve vytápěcím období [°C],
θe – venkovní výpočtová teplota [°C],
d – počet vytápěcích dní v roce.

Roční potřeba tepla na vytápění Φr, vyt = 177,21GJ/rok = 49 225 kWh/rok.

Stanovení potřeby energie na vytápění pro bytový dům s ATO

Výpočet potřeby energie byl vykonán podle vzorce (4.2) denostupňovou metodou STN 38 3350. Za maximální tepelnou ztrátu Φmax jsou dosazovány tepelné ztráty objektu upravené o eliminaci tepelných ztrát aktivní tepelnou ochranou, viz obr. 11.

Obr. 12  Potřeba energie na vytápění bez ATO, s ATO (20 °C), (25°C) a (30 °C).

Závěr

Výsledkem energetické bilance objektu s ATO bylo zjištění, že některé místnosti byly přetápěné, nebo podchlazené. Dalším závěrem byl fakt, jak vidíme z obr. 11, že tepelné ztráty objektu s ATO není možné zcela pokrýt ani při teplotě vody 30 °C, což se odrazilo i na potřebě energie na vytápění, viz obr. 12. Vzhledem k této ne příliš výhodné energetické bilanci experimentálního bytového domu s aktivní tepelnou ochranou a vzhledem k vysokým investičním nákladům tohoto systému, viz obr. 13, je potřebné zvážit aplikaci této alternativy stěnového energetického systému. V tomto experimentálním bytovém domě bylo jako zdroj tepla/chladu použito tepelné čerpadlo. Pro potřeby úspory investičních nákladů by bylo nutné zvážit využití takzvaného nízkopotenciálního tepla. Například by se aplikace aktivní tepelné ochrany na obytné budovy mohla realizovat v oblastech, kde se vyskytují geotermální koupaliště s geotermálními vrty.

V těchto oblastech by se po dohodě s majiteli a provozovateli koupališť dalo dohodnout na využívání odpadní vody, která má kolem 30 °C. Protože tito majitelé platí nemalé pokuty za vypouštění takto přehřáté vody do recipientů, mohla by se tato odpadní voda využívat za pomoci deskového výměníku tepla do aktivní tepelné ochrany. Jako zdroj chladu by mohl být využíván potok (recipient), kde bývá teplota okolo 8 °C. Tato chladná voda by pomocí ponorného čerpadla mohla být dopravována do aktivní tepelné ochrany v letním období za účelem chlazení. Bylo by samozřejmě nutné dohodnout se s vodárenskou společností na tomto kroku. Také by bylo vhodné zvážit na základě srovnání alternativ v kapitole 3, zda by nebylo vhodné využít nějaký jiný typ stěnového energetického systému, kde by se tepelný tok z trubky směrem do interiéru dal lépe a efektivněji využít.

Obrázky: Autor a Ema Némethová (5, 6, 7)
TEXT: Ing. Martin Šimko
Autor působí na Katedře TZB Stavební fakulty STU v Bratislavě

Literatura:

1. BELO FŰRI, MÁRIA KURČOVÁ. Termomechanika – cvičenia. Bratislava: Nakladateľstvo STU, 2014. 350 stran. ISBN 978-80-227-4132-3.
2. DUŠAN PETRÁŠ, OTÍLIA LULKOVIČOVÁ, JÁN TAKÁCS, BELO FŰRI. Nízkoteplotné vykurovanie a obnoviteľné zdroje energie.Bratislava: JAGA GROUP, s.r.o., 2001. 271 stran. ISBN 80-88905-12-5.
3. ONDŘEJ ŠIKULA. – Počítačové modelování tepelně aktivovaných konstrukcí. Brno, Česká republika, 39 s., ISBN 978-80-214-4308-2.
4. ŠIKULA O. – Manuál k softwaru CalA (Calculation Area), Brno, Česká republika, 43 s., vydal Tribun EU s.r.o., ISBN 978-80-7399-879-0.
5. NÉMETHOVÁ E. – Aplikácia aktívnej tepelnej ochrany v energeticky úspornej budove a využitie obnovitel­ných zdrojov energie pri návrhu kombinovaných energetických systémov na vykurovanie a chladenie budov. Diplomová práce. SR – Bratislava. 89 stran. Evidenční číslo: SvF-5366-59106.
6. KALÚS D. – Osvedčenie: Tepelnoizolačný panel pre systémy s aktívnym riadením prechodu tepla, 63 s. – SK 5725 Y1.
7. STN 73 0540 – Část 2: Tepelná ochrana budov, Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, Funkčné požiadavky.
8. ŠIMKO M.: Analýza fyzikálních vlastností stěny s aktivní tepelnou ochranou. Článek z periodika: TZB Haustechnik: Roč. 8, č. 4 (2015), s. 22-25. ISSN 1803 4802
9. JANÍK, P., KALÚS, D. : Analýza energetrických úspor pri aplikacii aktívnej tepelnej ochrany pre nízkoenergetický dom. Sborník: Environmentálne hodnotenie vnútorného prostredia budov (s. 127-132). Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia budov ZSVTV. (1.-2.12. 2009).
10. BABIAK, J.: Využitie tepelne aktívnych prvkov stavebnej konštrukcie. TZBHaus-technik, č.2, 2012. www.tzb-haustechnik.sk.
11. CVÍČELA, M., KALÚS, D.: Stenové energetické systémy vhodné na aplikáciu v nízkoenergetických a energeticky pasívnych domoch. TZB Haustechnik, 7.7.2010. Příspěvek vznikl s podporou projektu VEGA č.1/0734/08.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.