Sálavé vytápěcí soustavy v prosklených budovách

Cílem studie bylo vyhodnotit vliv tří různých sálavých topných systémů pro tepelnou pohodu v experimentální budově s prosklenou fasádou zvané Energetikum.

Pomocí simulačního programu TRNSYS byly aplikovány do referenční zóny tři reálně instalované sálavé topné systémy – stropní vytápění, podlahové vytápění a tepelná aktivace betonového jádra. Při správném nastavení zónové regulace výsledky indikují podobný průběh křivek vnitřních teplot, který je však ovlivněn klimatickými podmínkami daného dne.

Parametry provozu se mírně liší v závislosti na akumulační schopnosti a dle doby náběhu jednotlivého systému. Avšak spotřeba energie v jednotlivých případech se značně liší – v závislosti na použitém systému a regulační strategie. Nízkoexergetické sálavé topné systémy momentálně představují trend v oblasti vytápění a chlazení budov.

Vzhledem k jejich kompatibilitě se zařízeními využívajícími obnovitelné zdroje energie, jsou předurčeny k použití v nejmodernějších typech administrativních objektů, ale také rodinných či bytových domech. Ve srovnání s klasickými konvekčními topnými tělesy navíc zajišťují rovnoměrnější rozložení teploty v obytné zóně a vyšší tepelný komfort [1].

Avšak v kombinaci s lehkým obvodovým pláštěm s nízkou akumulační schopností a vysokou citlivostí na vnější podmínky způsobuje dlou­há doba náběhu problémy s tepelnou pohodou a spotřebou energie zejména v budovách s přerušovaným provozem. Vhodný výběr systému včetně správně zvolené regulační strategie je nezbytný k optimálnímu provozu budovy.

Energetikum – živé laboratorium

Referenční objekt Energetikum je součástí komplexu budov univerzity Fachhochschule Burgenland v Rakousku. Od roku 2015, kdy byl uveden do provozu, je využíván současně na výzkum, i pro administrativní účely univerzity, kde slouží jako kancelářský prostor pro výzkumy zaměstnanců. Objekt byl navržen na výzkum vlivu uživatelů na provoz budovy, vlivu systémů techniky prostředí na vnitřní prostředí budov a na výzkumnou činnost v oblasti obnovitelných zdrojů a možnosti uskladnění energie v měřítku 1: 1.

Obvodový plášť budovy

Dvoupatrová budova má aplikovány dva typy fasády pro vyloučení rizika vysokých tepelných ztrát během topného období a pro zajištění průniku dostatku přirozeného světla. Prosklené prvky fasády jsou implementovány v částech obvodového pláště orientovaných na jihozápad (JZ), severozápad (SZ) a jihovýchod (JV), kde solární zisky mohou snížit potřebu energie na vytápění během chladných měsíců.

Venkovní žaluzie mají za úkol zabránit přehřívání interiéru v období s vysokými hodnotami slunečního záření. Severovýchodní (SV) fasáda je navržena ze železobetonových stěn se 160 mm tepelné izolace. Všechny transparentní části fasády (okna, prosklené stěny, vstupní portál) jsou tvořeny izolačním trojsklem. Součinitel prostupu tepla jednotlivých prvků se pohybuje v rozmezí 0,79 a 1,10 W / (m².K), a to v závislosti na poměru zasklené plochy k celkové ploše povrchu komponentu.

Vytápění, chlazení, větrání a klimatizace v objektu

Tepelné čerpadlo země / voda bylo instalováno jako primární zdroj tepla a chladu pro objekt. Čerpadlo využívá energii z energetických košů a sond umístěných v okolí budovy a ze zemního kolektoru umístěného pod její základy. Tepelnému čerpadlu sekunduje plynový kondenzační kotel, který je v provozu během období, kdy geotermální energie nedokáže pokrýt tepelné ztráty objektu.

Tři nezávislé distribuční topné / chladicí systémy jsou instalovány v budově:

• podlahové vytápění / chlazení s trubkami zalitými betonovou vrstvou, které jsou izolované od betonového jádra;
• tepelná aktivace betonového jádra s trubkami umístěnými uprostřed betonového stropu;
• stropní sálavé vytápění s trubkami uloženými těsně pod povrchem betonové stropní konstrukce.

Protože každý systém je možné kontrolovat individuálně, všechny tři systémy mohou být provozovány samostatně nebo současně v závislosti na aktuální potřebě. Klimatizační jednotka zabezpečující adiabatické chlazení a nucené větrání objektu je instalována ve strojovně. Každá kancelář je vybavena individuální regulací výměny vzduchu, která je vybavena přívodními a odvodními obdélníkovými vyústkami.

Simulace referenční zóny s implementovanými nízkoexergetickými systémy – porovnání sálavých systémů
Kancelář s prosklenou fasádou nacházející se v druhém patře byla zvolena jako referenční zóna vzhledem k vyhovující ploše (24,5 m²), obsazenosti (2 osoby) a orientaci s poměrně stabilními solárními zisky během celého roku (JZ).

V místnosti zároveň probíhají měření parametrů vnitřního prostředí a instalovaných systémů techniky budov, které budou sloužit k validaci modelu. Referenční desetidenní období v lednu a březnu bylo zvoleno na pokrytí velmi chladného a přechodného období.

Instalované systémy a jejich regulace

Do simulačního modelu byly postupně implementovány tři topné systémy s parametry reálně nainstalovaných systémů v místnosti (tab. 1). V realitě běží všechny tři systémy na základě řídicího algoritmu od firmy SIEMENS simultánně. V simulačním modelu bude jejich vliv na tepelnou pohodu vyjádřen během jejich individuálního provozu.

PI regulátor byl použit k minimalizaci kolísání teploty vnitřního vzduchu a její udržování kolem hodnoty 21 °C během pracovního dne a 16 °C během nočního útlumu. Akční veličinou je teplota přívodu teplonosné látky, kterou je možné zónově regulovat trojcestným rozdělovacím ventilem spojujícím obtok a zpátečku.
Potřebná výměna vzduchu (maximálně 4 h^-1) je zajištěna nuceným přívodem vzduchu a může se měnit v závislosti na koncentraci CO₂ v místnosti.

Jelikož během dní s vysokými hodnotami sluneční radiace docházelo i v topném období přehřívání místnosti, ventilace byla použita i na dochlazování místnosti formou zvýšené výměny vzduchu. Teplota přiváděného vzduchu byla v průběhu dne 22 °C [2]. Vzhledem k nezbytnosti šetření energie byla výměna vzduchu během noci snížena na 0,1 h^-1.

Externí žaluzie se stínicím součinitelem 0,2 jsou automaticky ovládané na základě intenzity slunečního záření, což přispívá k ochraně místnosti před nadměrnými solárními zisky. Všechny regulační strategie a nastavované hodnoty byly aplikovány s přihlédnutím ke skutečné možnosti systému, jehož provoz byl dlouhodobě monitorován.

Nastavení různých variant a regulačních strategií

Simulace byly převedeny pro další dva druhy sálavých systémů (tepelnou aktivaci betonového jádra a stropní vytápění) instalovaných v budově s cílem prozkoumat vliv různých emisních systémů na tepelný komfort a spotřebu energie. Systém podlahového vytápění a systém stropu v blízkosti podlahy byly ovládány PI regulátorem na základě teploty vzduchu v místnosti. Tepelná aktivace betonového jádra však může být řízena na základě různých regulačních strategií.

Proto byly do simulačního modelu pro tepelnou aktivaci betonového jádra implementovány tři regulační strategie pro srovnání jejich vlivu na spotřebu energie a tepelný komfort: 1. on-off regulace (třístupňové řízení) v závislosti na teplotě místnosti je jednou z nejjednodušších metod na řízení tepelně aktivních stavebních konstrukcí; 2. tepelná hmotnost aktivní konstrukce se nabíjí energií během noci a do prostoru se uvolňuje během dne; 3. nabíjení betonového jádra na základě rozdílu mezi teplotou přívodní a vratné vody, kdy oběhové čerpadlo se vypne při poklesu rozdílu teplot pod určenou hranici.

Výsledky a diskuze počítačových simulací

Všechny tři systémy dokáží zajistit v simulovaném referenčním období při správném nastavení regulace a provozu systému tepelnou pohodu (obr. 2) [3]. Rozdíly v průběhu teplotní křivky jsou minimální, avšak jsou zaznamenány rozdíly vyplývající z rozdílné délky náběhu systémů a rozdílné akumulační schopnosti.

Křivky podlahového a stropního vytápění jsou velmi podobné, avšak tepelné prostředí vytvořené tepelnou aktivací betonového jádra je dost odlišné. Během nočního útlumu je snížení teploty vzduchu o 1 až 2 °C menší při použití tepelně aktivovaného betonového stropu než v případě podlahového a stropního vytápění, což je způsobeno rozdílnou akumulační schopností systémů.

Během simulovaných desíti dní byla energie dodána do místnosti aktivací betonového jádra o 31 % vyšší než při podlahovém vytápění (obr. 3, obr. 4). Akumulační potenciál tepelně aktivovaných betonových jader se však pravděpodobně projeví až po časové periodě delší než deset dní.

Během referenčních dní v březnu byl teplotní rozdíl vnitřního vzduchu nižší, protože teploty okolí byly mírnější a hodnoty dopadajícího slunečního záření vyšší. Řídicí varianty tepelně aktivních stropů poskytují dobrou tepelnou pohodu. Až na výjimku – varianta energetických vstupů značně překročila hodnotu energetického vstupu optimální varianty (obr. 3, obr. 4).

Závěr

Výsledky ukázaly, že aplikace aktivace betonových stropů v administrativní budově nemusí být optimálním řešením a to zejména v případě, že v budově funguje přerušovaný provoz. V takovém případě může vytápění prostor tepelně aktivním stavebním prvkem vést k nadměrné spotřebě energie v době mimo provoz budovy.

Tepelně aktivní prvek však může být schopen vytvořit tepelný komfort při příznivé spotřebě energie v kombinaci s podlahovým vytápěním. Nejpříznivější tepelná pohoda a nejnižší spotřeba energie byla prokázána při použití podlahového vytápění s PI regulátorem.

Poděkování
Tato práce byla podporována Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky prostřednictvím grantu VEGA 1/0807/17 a Agenturou na podporu výzkumu a vývoje na základě Smlouvy č. DS-2016-0030.

Literatura
[1] BABIAK, J., OLESEN, B. W., PETRÁŠ, D. Low Temperature Heating and High Temperature
Cooling. REHVA Guidebook No 7: Rehva Brussels, 2007.
[2] NÉMETHOVÁ, E., KRAJČÍK, M., PETRÁŠ, D., STUTTERECKER, W. Parametric study of indicators influencing thermal comfort and energy consumption in an office building with radiant heating/cooling and glazed facade. In E-NOVA 2017: Internationaler Kongress. Zukunft der Gebäude. Pinkafeld, Österreich, 23. und 24. November 2017. 1. vyd. Graz : Leykam Buchverlagsgesellschaft, 2017, S. 109-117.
[3] STN EN 15251:2007 Vstupné parametre vnútorného prostredia na návrh a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov zamerané na kvalitu vnútorného vzduchu, tepelné prostredie, osvetlenie a hluk, 2008.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2018.