Sálavé vytápěcí systémy v budově s lehkým obvodovým pláštěm

Výzkum ukázal, že při správné regulaci a optimálním nastavení lze zabezpečit tepelnou pohodu při aplikaci všech hodnocených systémů. Cílem studie bylo vyhodnotit vliv tří různých sálavých vytápěcích systémů na tepelnou pohodu v experimentální budově s prosklenou fasádou. Pomocí simulačního programu TRNSYS byly do referenční zóny aplikovány tři reálně sálavé vytápěcí systémy – stropní vytápění, podlahové vytápění a tepelná aktivace betonového jádra. 

Při správném nastavení zónové regulace indikují výsledky podobný průběh křivek vnitřních teplot, který však ovlivňují klimatické podmínky daného dne. Parametry provozu se mírně liší v závislosti na akumulační schopnosti a na době náběhu jednotlivého systému.

Nízkoenergetické sálavé vytápěcí systémy představují aktuální trend v oblasti vytápění a chlazení budov. Vzhledem k jejich kompatibilitě se zařízeními využívajícími obnovitelné zdroje energie jsou předurčeny k instalaci v nejmodernějších typech administrativních objektů, ale i v rodinných či bytových domech. Navíc ve srovnání s klasickými konvekčními vytápěcími tělesy zabezpečují rovnoměrnější rozložení teploty v obytné zóně a vyšší tepelný komfort [1]. Příspěvek se zabývá vlivem umístění sálavých systémů na tepelnou pohodu v místnosti.

Budova s lehkým obvodovým pláštěm

Referenční objekt Energetikum je součástí komplexu budov univerzity Fachhochschule Burgenland v Rakousku. Od roku 2015, kdy byl uveden do provozu, se využívá současně pro výzkum, jakož i pro administrativní účely univerzity, v rámci nichž slouží jako kancelářský prostor pro zaměstnance výzkumu. Objekt byl navržen pro výzkum vlivu uživatelů na provoz budovy a vlivu systémů techniky prostředí na vnitřní prostředí budovy, pro výzkumnou činnost v oblasti obnovitelných zdrojů a pro sledování možností uskladnění energie v měřítku 1 : 1.

Obr. 1 Referenční objekt Energetikum je součástí komplexu budov univerzity Fachhochschule Burgenland v Rakousku.

Obvodový plášť budovy

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

Vnější žaluzie mají za úkol zabránit přehřívání interiéru v období s vysokými hodnotami slunečního záření. Severovýchodní (SV) fasáda je navržena ze železobetonových stěn s tepelnou izolací s tloušťkou 160 mm. Veškeré transparentní části fasády (okna, prosklené stěny, vstupní portál) tvoří izolační trojsklo. Součinitel prostupu tepla jednotlivých prvků se pohybuje v rozmezí od 0,79 do 1,10 W/(m² . K), a to v závislosti na poměru zasklené plochy k celkové ploše povrchu komponentu.

Vytápění, chlazení, větránía klimatizace v objektu

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

V budově jsou instalovány tři nezávislé distribuční vytápěcí/chladicí systémy:

• podlahové vytápění/chlazení s trubkami zalitými betonovou vrstvou, které jsou izolovány 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 se mohou provozovat samostatně nebo současně, a to v závislosti na aktuální potřebě. Klimatizační jednotka zabezpečující adiabatické chlazení a nucené větrání objektu je instalována ve strojovně. Každá kancelář má individuální regulaci výměny vzduchu, která je vybavena přívodními a odvodními obdélníkovými vyústkami.

Obr. 2 Klimatické podmínky – TRNSys weather data pro město Graz

Simulace referenční zóny s implementovanými nízkoteplotními systémy

Za referenční zónu byla zvolena kancelář s prosklenou fasádou nacházející se v druhém poschodí. Důvodem byla vyhovující plocha (24,5 m²), obsazenost (dvě osoby) a orientace s poměrně stabilními solárními zisky během celého roku (JZ). V místnosti probíhají zároveň měření parametrů vnitřního prostředí a instalovaných systémů techniky budov, které budou sloužit k validaci modelu. Dané referenční období (25. až 29. 3. TMY2 pro město Graz) bylo zvoleno proto, že regulace systémů je v tomto období nejproblematičtější.

Instalované systémy a jejich regulace

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

PI-regulátor byl použit pro minimalizování kolísání teploty vnitřního vzduchu a jejího udržování kolem hodnoty 21 °C během pracovního dne a 16 °C během nočního útlumu. Akční veličinou je teplota přívodu teplonosné látky, kterou lze zónově regulovat trojcestným rozdělovacím ventilem spojujícím obtok a zpátečku.

Potřebná výměna vzduchu (maximálně 4 h-1) je zabezpečena nuceným přívodem vzduchu a může se měnit v závislosti na koncentraci CO₂ v místnosti. Protože během dnů s vysokými hodnotami sluneční radiace nastávalo i ve vytápěcím období přehřívání místnosti, ventilace byla použita i pro její dochlazování. Teplotu přiváděného vzduchu bylo možné spojitě měnit v rozmezí od 17 do 21 °C.

Externí žaluzie se stínicím součinitelem 0,2 se ovládají automaticky 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 kontrolních strategií bylo vybráno jako optimální ze čtyř variací [2].

Výsledky počítačových simulací

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

Obr. 3 Porovnání křivek teploty vnitřního vzduchu u tří sálavých systémů

Diskuse

V případě podlahového vytápění lze zaznamenat rychlejší náběh během dne s nízkými solárními zisky a nižší teplotou. Pokles teploty v průběhu nočního útlumu je však výraznější než u dalších dvou systémů. Čerpadla jsou v provozu během dvaceti čtyř až dvaceti šesti procent referenční časové periody. Podlahové vytápění vyžaduje nejmenší dobu provozu čerpadel, v případě aktivace betonového jádra byl provoz čerpadla nejspojitější, což vyplývá z akumulační schopnosti systému (obr. 4). Teplota přívodu se mírně lišila v závislosti na vnějších podmínkách. Tepelná aktivace betonového jádra si nejdéle udržovala teplotu během nočního útlumu, kdy čerpadla nebyla v provozu a průtok v systému byl nulový.

Obr. 4 Provozní parametry tří sálavých systémů

Závěr

Aplikace sálavých vytápěcích systémů v objektech s lehkým obvodovým pláštěm, kde solární zisky výrazně ovlivňují tepelnou bilanci v místnostech, je často považována za diskutabilní. Navzdory tomu výsledky simulací indikují poměrně dobrou tepelnou stabilitu referenční místnosti, a to i během období s nižšími teplotami venkovního vzduchu a poměrně vysokými, avšak nestálými hodnotami intenzity slunečního záření. Při správné regulaci a optimálním nastavení je možné zabezpečit tepelnou pohodu při aplikaci všech hodnocených systémů – u podlahového vytápění, stropního vytápění i tepelné aktivace betonového jádra.

Ing. Ema Némethová
Autorka působí na katedře TZB Stavební fakulty STU v Bratislavě.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, Ph.D.

Obrázky: autorka

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. – Petráš, D. – Stutterecker, W. – Schoberer, T.: Indoor environment challenges in a new type office building – case study. In E-NOVA 2016: Internationaler Kongress. Nachhaltige Technologien. Pinkafeld, Österreich, 24. und 25. Listopad 2016. 1. vyd. Graz : Leykam Buchverlagsgesellschaft, 2016, str. 177 – 187.
3. STN EN 15251: 2007 Vstupní parametry vnitřního prostředí na návrh a hodnocení energetické hospodárnosti budov zaměřené na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelné prostředí, osvětlení a hluk. 2008.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2017.