Sálavé chladicí systémy 1.

1. června 2009

Partneři sekce:

Sálavé chladicí systémy umožňují úpravu tepelného komfortu osob při nízké spotřebě energie. Článek se zaměřuje na jejich obecné výhody a nevýhody a popisuje konkrétní typy těchto systémů. Mezi nejrozšířenější sálavé chladicí systémy patří chladicí stropy, jimž je věnována největší pozornost.

Spotřeba energie v moderní, rozvíjející se společnosti neustále roste a nemalým dílem se na tom podílejí i zvyšující se nároky na pohodu prostředí, resp. tepelný komfort osob pobývajících v občanských budovách. Při snaze o snížení spotřeby energie je však nutné klást si otázky jak takových, zdánlivě protichůdných požadavků dosáhnout.

Možnou alternativou úpravy stavu prostředí pro vytvoření optimálního tepelného komfortu osob v administrativních budovách, společenských a podobných prostorách bez vysokých nároků na distribuci vzduchu je klimatizace prostorů sálavými chladicími systémy. Jedná se o poměrně účinné systémy (z hlediska vytvoření tepelného komfortu), které pracují s vyšší teplotou chladicí vody – často nazývané jako vysokoteplotní chlazení. Ve spojení s možností udržovat vyšší teplotu vzduchu (díky účinku radiace) dokážou tato zařízení nesporně ušetřit energii. Mezi nejrozšířenější sálavé chladicí systémy patří chladicí stropy.

Výhody a nevýhody systému
Jako každý systém mají i sálavé chladicí systémy své výhody a nevýhody. Obecně je lze shrnout do následujících bodů.
Výhody:

kvalita tepelného komfortu,
hlukové parametry,
odpadá nebezpečí vzniku průvanu,
nízká spotřeba energie,
přívod minimálního množství čerstvého vzduchu,
menší nároky na rozvody vzduchu,
samoregulovatelnost systému,
lze je použít i pro vytápění.

Nevýhody:

investiční náklady,
nebezpečí orosování,
nelze jimi odvádět teplo vázané ve vodní páře,
omezení výkonu.

Tepelný komfort
Tepelný stav prostředí nemá přímý vliv jen na fyzický, ale i na duševní stav člověka. Z hlediska vytvoření tepelného komfortu se jeví sálavý přenos tepla mezi člověkem a okolím v porovnání s konvekčním přenosem výhodným. Na tepelnou pohodu člověka má totiž výrazný vliv i povrchová teplota okolních ploch. Sálavý způsob chlazení je výhodný i z dalších hygienických hledisek, neboť ho neprovázejí nežádoucí účinky, jako jsou hluk nebo případný průvan. V některých publikacích je kombinace sálavého systému s chladicími stropy a zdrojovým větráním dokonce označována jako komfortní chlazení.

Spotřeba energie
Z energetického hlediska patří sálavé chladicí systémy do skupiny nízkoenergetického vysokoteplotního chlazení. Už název naznačuje, že se jedná o úsporný systém, což je považováno za jednu z největších výhod systému. Spotřeba energie je také jedním z často diskutovaných témat, zejména v souvislosti s rostoucí cenou energie. Existuje mnoho autorů zabývajících se tímto problémem, kteří jednoznačně poukazují na nižší spotřebu energie sálavých chladicích systémů v rozsahu 15 až 30 % oproti běžným, převážně konvektivním systémům.

Vzhledem k tomu, že sálavé chladicí systémy pracují s poměrně vysokou teplotou chladicí vody (minimálně 16 °C), je možné využít zdrojů chladu s nižším potenciálem chlazení (vyšší teplotou). Mezi takové zdroje patří zejména využívání chladu ze zemského polomasivu (zemní výměníky), podzemní voda nebo vodní toky apod. Důkazem, že sálavé chladicí systémy a systémy vytápění jsou energeticky úsporné, je jejich prosazování v tzv. zelených budovách (z angl. green buildings).

Samoregulační schopnost
Obecnou vlastností velkoplošných sálavých systémů, ať už vytápění či chlazení, je samoregulační schopnost. Lze konstatovat, že čím větší je teplosměnná plocha systému, tím se zmenšuje rozdíl mezi teplotou vzduchu a povrchovou teplotou a samoregulační schopnost je výraznější.

Riziko kondenzace a omezení výkonu
Riziko kondenzace je u sálavých chladicích systémů jedním z hlavních omezujících faktorů. Teplota přívodní vody do chladicího systému se volí tak, aby nedocházelo k orosování povrchu. Povrchová teplota musí být vyšší než teplota rosného bodu vzduchu proudícího kolem panelu – zpravidla o 1 až 2 K. Sálavé chladicí systémy nedokážou odvádět teplo vázané ve vodní páře!

U lehkých konstrukcí chladicích systémů nebo u systémů umístěných těsně pod omítkou lze kontrolovat povrchovou teplotu poměrně snadno. Rychlá odezva systému nedovolí, aby minimální povrchová teplota klesla pod teplotu rosného bodu. To u masivních chladicích stropů není prakticky možné vzhledem k dlouhé době zpoždění. Často se tento problém řeší omezením teploty přívodní vody. V našich podmínkách (v místnostech bez dalších zdrojů vlhkosti) se teplota přívodní vody t_w1 volí 16 °C pro lehké systémy a maximálně 20 °C pro těžké systémy s akumulační hmotou. Teplotní rozdíl odváděné a přiváděné chladicí vody ∆t_w bývá v rozmezí 2 až 4 K. Důsledkem vysoké teploty přívodní vody, resp. povrchové teploty, je omezení chladicího výkonu.


Obr. 2: Znázornění chladicích stropů v místnosti a) otevřený – konvektivní chladicí strop,		b) uzavřený – sálavý chladicí strop

Investiční náklady
Investičně jsou sálavé chladicí systémy poměrně náročné. Například cena za 1 m² pokládky běžného potrubního systému se pohybuje mezi 500 až 1000 Kč. V některých případech, zejména tam, kde systém slouží současně v zimě pro vytápění a v létě chlazení, může být pořizovací cena systému i nižší, než při použití odděleného systému vytápění a chlazení. Ze stále rostoucích cen energií se však dá předpokládat, že doba návratnosti investice do vysokoteplotního chlazení se bude zkracovat.

Rozdělení sálavých chladicích systémů
Z hlediska provedení lze sálavé chladicí systémy rozdělit na otevřené a uzavřené (obr. 1).
S otevřenými konstrukcemi sálavých chladicích systémů se lze setkat výhradně v podobě chladicích stropů. Jsou charakteristické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu až ke stropu (obr. 2a). U otevřených chladicích stropů převažuje konvektivní složka (50 až 60 %) přenosu tepla mezi povrchem stropu a okolním vzduchem, proto se někdy nazývají konvektivní. Nejčastějším řešením otevřených chladicích stropů jsou lamelové konstrukce.

Obr. 1: Rozdělení sálavých chladicích systémů

Uzavřené systémy pracují převážně se sálavou složkou tepelného toku (asi 60 %). Z hlediska tepelného toku by měly být uzavřené chladicí stropy na horní straně vždy izolovány tak, aby nedocházelo ke ztrátě chladicího výkonu (pokud to není žádoucí). V některých případech může funkci tepelné izolace nahradit vzduchová mezera mezi stropní betonovou deskou a chladicím prvkem. Uzavřené (sálavé) chladicí systémy lze dále rozdělit na masivní a lehké.

Masivní sálavé chladicí systémy jsou zpravidla součástí stavební konstrukce. Bývají tvořeny potrubním systémem vloženým buď do betonové stropní konstrukce, nebo pod omítku některých ze stěn místnosti. Lehké sálavé chladicí systémy (většinou chladicí stropy) bývají zavěšené pod stropní konstrukcí, zpravidla v podhledu nebo samostatně. Lehké systémy s minimální akumulační schopností reagují na tepelnou zátěž prakticky bezprostředně. Protipólem jsou masivní systémy s akumulační hmotou (aktivní beton), které mají naopak vysokou akumulační schopnost. Tyto systémy absorbují tepelnou zátěž do akumulační hmoty a až následně jí odvádějí.

Podle aktivní chladicí plochy pak sálavé chladicí systémy rozlišujeme na:

chladicí stropy,
chladicí stěny,
chladicí podlahy,
celoplošné systémy.

Typy sálavých chladicích systémů
Potrubní systémy
Potrubní systémy se hojně používají především pro vytápění, kde je velmi rozšířené zejména podlahové vytápění. Hlavní součástí systému je potrubní smyčka zakomponovaná do některé z vrstev stavební konstrukce. Chladicí plochu tvoří některá ze stěn ohraničující daný prostor (podlaha, stěny nebo strop) nebo jejich kombinace. Konstrukce chladicího potrubního systému je obdobná jako u vytápění, ale většinou se používají menší rozteče potrubí. Je to dáno snahou zvýšit měrný výkon chladicí plochy, čehož nelze dosáhnout snižováním teploty chladicí vody (z důvodu rizika kondenzace).

Samostatné využití podlahového chlazení není příliš rozšířené hlavně z důvodu nízkých chladicích výkonů. Vzhledem k tomu, že podlahové vytápění je dnes naprosto běžným systémem používaným pro vytvoření optimálních teplotních podmínek v zimě, jeví se jako vhodné zvážit možnost využití podlahové otopné plochy i pro chlazení. Pro aplikaci takovýchto systémů jsou vhodné zejména prostory, které nejsou trvalým pracovištěm a kde osoby spíše přecházejí, jako například vestibuly, čekárny, odbavovací haly, galerie, obchody nebo sportoviště. Díky nižším chladicím výkonům podlahové plochy (z důvodu omezení povrchové teploty podlahy) lze předpokládat, že podlahové chlazení odvede pouze část z celkové tepelné zátěže.

Patrně největší instalací podlahového chlazení svého druhu je realizace na novém letišti v Bangkoku (obr. 4). Podlahové chlazení je zde nainstalováno na ploše bezmála 150 000 m² v hlavní odbavovací hale, terminálech a veřejných prostranstvích. Systém pracuje s teplotním spádem chladicí vody 13/19 °C, projektovaná povrchová teplota podlahy je 21 °C. Větrání haly je realizováno velkoplošnými zdrojovými vyústěmi. Podstatná část zastřešení haly je prosklená, což ve spojení s vysokou teplotou venkovního vzduchu představuje výrazné tepelné zatížení prostor. Systém podlahového chlazení však umožňuje teplo ve formě dopadajícího přímého slunečního záření velmi efektivně odvádět.

Sálavé chlazení s akumulační hmotou – aktivace betonu
Specifickým potrubním systémem je sálavé chlazení s akumulační hmotou, který kombinuje princip sálavého chlazení s akumulací tepla do stavební konstrukce. U tohoto systému je tepelná zátěž nejprve absorbována do stavební akumulační hmoty a až následně odvedena. V zahraniční literatuře se systém často označuje pojmem slab cooling, což znamená chlazení stavební deskou.

Systémy s akumulační hmotou mají akumulační vrstvu umístěnou mezi chladicí vrstvou a vnitřním povrchem stavební konstrukce (většinou strop, někdy podlaha). Chladicí vrstvu tvoří zpravidla síť vodního potrubí, kterým protéká chladicí voda. Důsledkem přítomnosti akumulační hmoty je časový posun zisků a vyrovnání tepelných zátěží během dne, resp. částečný přesun mimo dobu pobytu osob třeba až do nočních hodin, kdy je k dispozici volná kapacita zdrojů chladu a výhodnější tarify za odběr elektrické energie pro strojní chlazení, které navíc, díky nižší teplotě venkovního vzduchu, bude dosahovat lepších chladicích faktorů [1].

Systém tepelně aktivních betonových konstrukcí je běžně užívaný zejména na západ od našich hranic. Zkušenosti s provozem budov mají hlavně v sousedním Německu, Rakousku nebo ve Švýcarsku. U nás bude ve větší míře systém aktivního betonu použit v nově stavěné budově Národní technické knihovny v Praze – Dejvicích, kde je instalován na ploše cca 10 000 m². Díky oboustranně pnutému betonu byl systém instalován ručním odvíjením přímo na stavbě (obr. 5).

Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.
Foto a obrázky: archiv firem a autora

Autor působí na Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Literatura
1. Lain, M.: Sálavé chlazení s akumulační hmotou. In: Sálavé systémy vytápění a chlazení – operativní teplota. Sborník semináře. STP 2006.
2. Zmrhal, V.: Tepelné prostředí v prostoru s kapilárními rohožemi. In: Vytápění, větrání, instalace, 2007, roč. 16, č.1, s. 37–41.
3. Zmrhal, V:. Kapilární rohože v praktických aplikacích. In: Klimatizace a větrání 2008, 18. národní konference Klimatizace a větrání 2008, STP 2008.
4. Giacomini. Domovské stránky. Dostupné z: . Aktualizováno 2006.
5. G-term. Domovské stránky o. z. G-term, Hennlich Industrietechnik. Dostupné z:
6. Krantz Komponenten. Domovské stránky. Dostupné z:
7. Rehau. Domovské stránky.
8. Trox. Domovské stránky. Dostupné z:
9. Uponor. Domovské stránky. Dostupné z:
10. Healthy Heating. Dostupné z:

Článek je tvořen úryvky z připravované publikace Sálavé chladicí systémy, kterou zařadilo vydavatelství ČVUT do edičního plánu pro rok 2009.
Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011 Technika životního prostředí.