Interiérové tepelně aktivní panely s integrovanou aktivní plochou

ITAP panely – interiérové tepelně aktivní panely s integrovanou aktivní plochou – inovativním způsobem spojují existující stavební a energetické systémy do jednoho kompaktního celku, čímž vytvářejí kombinované stavebně-energetické systémy. Zároveň představují stavební konstrukce s vnitřním zdrojem energie.

Nízké tepelné ztráty, resp. tepelné zisky predikují u energeticky úsporných staveb právě aplikaci nízkoteplotních vytápěcích/vysokoteplotních systémů, jako jsou velkoplošné podlahové, stěnové a stropní vytápění/chlazení.

Hlavním přínosem ITAP panelů je možnost unifikované a prefabrikované výroby. Mezi další výhody patří snížení výrobních nákladů vzhledem k technologickému postupu výroby, snížení montážních nákladů vzhledem k nižšímu počtu kroků při realizaci na stavbě a zkrácení doby realizace vzhledem ke způsobu aplikace ITAP panelů.

ITAP panely

Interiérové tepelně aktivní panely s integrovanou aktivní plochou jsou v současné době ve fázi experimentálního ověřování. Tvoří je trubkový nebo kapilární energetický systém inte-
grovaný v tepelněizolační části panelu a tepelně aktivní povrch z tepelně vodivého materiálu (např. tenkovrstvá omítka, deska sádrokartonu nebo plechu).

ITAP panely se aplikují týmž způsobem jako dosud známé panely s integrovanými trubkovými nebo kapilárními systémy (např. v SD deskách). Panely jsou chráněny evropským patentem EP 2 572 057 B1 z 15. 10. 2014 (autor: Kalús, 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], [5], [6], [7], [8]. Připravujeme i výzkum v laboratorních podmínkách, kde budou uskutečňována měření v různých okrajových podmínkách a materiálech aktivních teplovýměnných ploch.

Tato experimentální měření jsou součástí aplikovaného výzkumu, který vyplynul z požadavků z praxe (Smlouva o dílo PR 10/2015, STU v Bratislavě, Stavební fakulta, Katedra TZB, odpovědný řešitel Kalús, D. s názvem Analýza energetických, ekonomických, environmentálních aspektů a experimentální měření kompaktních zařízení energetických systémů pro aplikaci obnovitelných zdrojů energie).

Předmětem výzkumu popisovaného v tomto článku ve dvou částech je parametrická studie způsobu šíření tepla/chladu ve fragmentu obvodové stěny a vnitřní stěny s podomítkovým trubkovým energetickým systémem a s ITAP panely, optimalizace příslušné tloušťky tepelné izolace, dimenzí a rozestupu trubek interiérových tepelně aktivních panelů s integrovanou aktivní plochou [1], [5], [6], [7], [8].

Současný stav v aplikaci velkoplošného sálavého vytápění/chlazení

U velkoplošného sálavého vytápění/chlazení rozeznáváme dvě základní řešení konstrukčního vyhotovení vytápěcí plochy:
1.     vytápěcí plocha je zabudovaná, je tedy nedělitelnou součástí stavební konstrukce,
2.     vytápěcí plocha je samostatná, je to zahřívaná deska, která je upevněna na některé ze stavebních  konstrukcí nebo je umístěna volně ve vytápěném interiéru.

Vytápěcí soustava je tedy tvořena z trubkových registrů, které jsou zabetonované přímo ve stavební konstrukci, nebo pokud se sálavé vytápění dobuduje dodatečně, mohou se tyto registry zavěsit například pod nosný strop a v podhledu se zakryjí vrstvou omítky, případně se použijí panely s integrovanými trubkovými nebo kapilárními systémy (např. v SD deskách) [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [18].

Podomítkový trubkový energetický systém

Stěnové nebo stropní vytápění prostřednictvím podomítkového energetického systému spojuje vysoký komfort velkoplošného vytápění s pružností klasického konvekčního vytápění pomocí vytápěcích těles. Aktivní stěny musejí být směrem do místnosti volné, bez nábytku či obrazů, proto je třeba včas naplánovat uspořádání interiéru.

Toto vytápění se často kombinuje právě s podlahovým vytápěním, protože  zvětšením vytápěcí plochy lze provozovat systém s úspornějšími nižšími teplotami vytápěcí vody. Orientační hodnota vytápěcího výkonu je kolem 100 W/m2 [2], [3].

U stěnového vytápění se využívá sálavý tepelný tok z ohřívané stěny (obr. 1). Stěny dosahují díky teplovodním trubkám mírně vyšší povrchové teploty, a tak přímo vyzařují teplo do okolní místnosti – na vnitřní zařízení a lidi. Na rozdíl od setrvačného podlahového vytápění je stěnové vytápění velmi pružné. Teplota stěny by však neměla pro pocit pohody překročit 35 °C [2], [3].

Stěnové a stropní chlazení splňuje nejvyšší požadavky na ideální tepelný komfort. Teplota stěny by však pro pocit pohody, jakož i kvůli nežádoucí kondenzaci, neměla klesnout pod 19 °C. Orientační hodnota chladicího výkonu je kolem 60 W/m2 [2], [3].

Podomítkový kapilární energetický systém

Další způsob podomítkového energetického systému představují kapilární rohože (obr. 2),
které lze aplikovat na podlahové, stěnové a stropní vytápění/chlazení. Kapilární rohože jsou tenké, proto se ukládají těsně pod povrch stěn, takže na požadované změny teploty reagují téměř okamžitě. Díky tomu se místnosti rychle zahřejí či ochladí.

Kapilární rohože jsou lehké, proto je lze použít i u jakýchkoli moderních stropních konstrukcí. Zároveň se mohou využít nejen při stavbě nového domu, ale i při jeho rekonstrukci. Mají malou konstrukční výšku, proto zabírají jen minimální prostor ve stěně, čímž na rozdíl od jiných systémů zbytečně nezmenšují místnosti. Kapilární rohože se instalují těsně pod povrch, proto není nutná hrubá vrstva omítky.

Panely s integrovanými trubkovými nebo kapilárními systémy

K aplikacím v interiéru slouží panely s integrovanou aktivní plochou (AP) na stěnové, stropní (obr. 3) a podlahové vytápění, v alternativách mokrého i suchého způsobu vyhotovení. V současné době je většina panelů s integrovanou aktivní plochou vyhotovena ze sádrokartonových desek s vyfrézovanými drážkami a vloženými trubkami.

Někteří výrobci dodávají tyto panely kompaktně i s tepelnou izolací. Panely s vyfrézovanými drážkami v sádrokartonu a s vloženými trubkami mají svá omezení především v průměru a materiálu trubek. Tento fakt úzce souvisí i s vysokou cenou a omezeným vytápěcím/chladicím výkonem.

Inovativní řešení pomocí ITAP panelů

Nevýhody panelů s vyfrézovanými drážkami v sádrokartonu a s vloženými trubkami odstraňuje konstrukce tepelněizolačního panelu s aktivní tepelnou ochranou na aplikaci se systémem aktivního řízení prostupu tepla (tepelněizolační panel ATO) ve smyslu evropského patentu EP 2 572 057 B1 [1].

Prototypy

Interiérový tepelně aktivní panel s integrovanou aktivní plochou se skládá v základním vyhotovení z nosné konstrukce tvořené exteriérovou nebo interiérovou velkoplošnou rovnou nebo profilovanou deskou, nebo z nosného rámu, jehož vnitřní prostor je vyplněn tepelnou izolací, přičemž na jednu nebo i na druhou čelní plochu nebo do středového objemu tepelné izolace je aplikován alespoň jeden trubkový nebo hadicový či kanálový distribuční systém teplonosné či chladicí látky v kapalné nebo plynné formě.

Nosná konstrukce tvořená exteriérovou nebo interiérovou velkoplošnou rovnou nebo profilovanou deskou (obr. 4) nebo nosný rám mohou být vyrobeny ze dřeva, překližky, kovových profilů, desek, plechu, plastu, případně z jiných vhodných materiálů (obr. 5).

Pro účely tepelněizolačního panelu se jako tepelná izolace může použít polystyren, minerální vlna, kamenářská vlna, polyuretanové směsi, celulóza, organické látky, jako například sláma či ovčí vlna, látky aplikované v kontaktních i odvětraných zateplovacích systémech a všechny ostatní tepelné izolace a jejich kombinace aplikované ve stavebnictví [1].

Za účelem zlepšení statických a dynamických vlastností ITAP panelů je výhodné prostor ohraničený exteriérovou nebo interiérovou velkoplošnou rovnou nebo profilovanou deskou nebo nosným rámem vybavit výztužnými prvky. Aby bylo možné tento ITAP panel upevnit, obsahuje nosná část panelu vhodné kotvicí prvky.

Alespoň jedna čelní plocha panelu může být vybavena ochrannou fólií – například ze skladovacích nebo přepravních důvodů. Touto ochrannou fólií může být tenká PVC fólie, která se po dodání ITAP panelu na staveniště strhne nebo se ponechá. Součástí ITAP panelu může být i tepelně vodivá nebo reflexní vrstva, která bývá na bázi omítky, tepelně vodivé fólie, tepelně vodivého nástřiku, nátěru, případně jiné kombinace [1].

Aplikace ITAP

Patentované ITAP panely využívají hlavně tepelněizolační desky, do nichž jsou vyfrézované drážky a vložené trubky, nebo systémové desky s vloženými trubkami [1]. Panely mohou být vybaveny i povrchovou úpravou ve formě například SD desek, používají se na suchou výstavbu. Panely bez povrchové úpravy slouží na mokrou výstavbu. Namísto trubek lze aplikovat i kapilární rohože (obr. 6).

ITAP panely mohou mít i teplonosnou látku vzduch. Nejsou omezené průměrem trubek, tloušťka tepelné izolace, do níž jsou trubky integrované, bývá od 50 mm – podle požadavků na teplotechnické vlastnosti stavebních konstrukcí. Tepelný/chladicí výkon má větší variabilitu i z důvodu možnosti větších průtoků teplonosné/chladicí látky. ITAP panely se mohou aplikovat na zdivo i přímým lepením (obr. 7b).

Na obr. 8 je znázorněna aplikace ITAP stropních panelů s integrovanou trubkou na pomocnou konstrukci.
ITAP panely lze aplikovat i na realizaci podlahového vytápění, a to mokrým i suchým způsobem. Na obr. 9 je znázorněn kladečský výkres podlahového vytápění jedné místnosti. Na obr. 10 je detail mokrého způsobu vyhotovení podlahového vytápění pomocí interiérových panelů s integrovanou trubkou a na obr. 11 je detail suchého způsobu.

ITAP panely s integrovanou aktivní plochou vytvořenou kanály, kde je teplonosnou látkou teplotně upravený vzduch, je možno použít na velkoplošné podlahové, stěnové i stropní vytápění/chlazení. Na obr. 12 je znázorněn kladečský výkres podlahového vytápění jedné místnosti. Na obr. 13 je detail suchého a mokrého způsobu vyhotovení podlahového vytápění pomocí interiérových panelů s integrovanými vzduchovými kanály [1].

Literatura
1      Překlad evropského patentového spisu EP 2 572 057 B1. Tepelněizolační panel pro systémy s aktivním řízením prostupu tepla. Autor: doc. Ing. Daniel Kalús, Ph.D. Datum vydání evropského patentového spisu: 15. 10. 2014. Datum zpřístupnění překladu patentového spisu veřejnosti: 2. 10. 2015. Vydal: Úřad průmyslového vlastnictví Slovenské republiky, Banská Bystrica, 2015, číslo dokumentu E 18881.
2     Petráš, D. – Kalús, D. – Koudelková, D.: Vykurovacie sústavy, cvičenie a ateliérová tvorba. Bratislava: STU, 2012, 298 s.
3     Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA Group, 2009, 224 s.
4     Bugáň, J. – Petráš, D.: Stropný vykurovací systém v administratívnej budove, www.asb.sk.
5    Cvíčela, M.: Analýza stenových energetických systémov. Dizertační práce. STU v Bratislavě, Stavební fakulta, Slovenská republika 2011,
119 s.
6     Janík, P.: Optimalizácia energetických systémov s dlhodobou akumuláciou tepla. Dizertační práce. STU v Bratislavě, Stavební fakulta, Slovenská republika 2013, 185 s.
7     Šimko, M.: Analýza a využitie obnoviteľných zdrojov energie pri aplikácii aktívnej tepelnej ochrany pri rekonštrukciách obytných budov. Písemná část dizertační zkoušky. STU v Bratislavě, Stavební fakulta, Slovenská republika 2014, 88 s.
8     Šimko, M.: Výskum stenového energetického systému s aktívnou tepelnou ochranou. In: JUNIORSTAV 2016. Sborník přednášek. Brno, ČR, 2016. Brno: Technická Univerzita v Brně, Stavební fakulta, 2016, 9 s.  
9    Zhu, Q. – Xu, X. – Gao, J. – Xiao, F: A semi – Dynamic simplified therm model of active pipe-embedded building envelope based on frequency finite difference method. In: International Journal of Thermal Sciences, 2015 – Elsevier, Vol. 88, p. 170 – 179, 2015.
10     Krzaczeka, M. – Kowalczuk, Z.: Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings. In: An international journal devoted to investigations of energy use and efficiency in buildings – Energy and Buildings, 2011 – Elsevier, Vol. 43, p. 823-837, 2011.
11     Kalús, D.: Energetické systémy pre domy s takmer nulovou spotrebou energie. In: Letní škola TZB 2010: 8. letní škola katedry TZB ČVUT. Sborník přednášek. Český Šternberk, ČR, 2010. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2010, s. 31 – 34.
12    Kalús, D. – Cvíčela, M: Stenové energetické systémy vhodné pre aplikáciu v pasívnych domoch, www.casopisstavebnictvi.cz, 2010.
13    STN 73 0540-1 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 1: Terminológia. SÚTN, 2002.
14     STN 73 0540-2 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 2: Funkčné požiadavky, SÚTN, 2002.
15     STN 73 0540-3 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 3: Vlastnosti materiálov a konštrukcií. SÚTN, 2002.
16     STN 73 0540-4 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. Časť 4: Výpočtové metódy. SÚTN, 2002.
17     STN 06 0892 Ústredné sálavé vykurovanie so zabetónovanými rúrkami.
18    www.wolfsr.sk
19     www.po.opole.pl. TU v Opole (2013)
20     http://www.eng.pw.edu.pl. TU ve Varšavě (2013)
21     http://www.stavebne-forum.sk/sk/article/18284/
22    ISOMAX. http://www.isomax.sk

Text: doc. Ing. Daniel Kalús, Ph.D.
Foto a obrázky: Autor
Autor působí na Katedře TZB Stavební fakulty STU v Bratislavě.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.