Reklama

Vplyv aktívnej tepelnej ochrany na tepelné toky a interiérovú povrchovú teplotu

Ing. Martin Šimko, Stavebná fakulta STU Bratislava Katedra technického zariadenia budov

Recenzovaný

Príspevok pojednáva o stavebno-energetických systémoch s aktívnou tepelnou ochranou (ATO), o spôsobe šírenia tepla, o akumulačnej schopnosti, o optimalizácii príslušnej hrúbky tepelnej izolácie a rozostupu rúrok. Rozhodnutie pre výskum vyplýva z možnosti aplikácie ATO na bytové domy so železobetónovými obvodovými stenami.

Reklama

Abstrakt

O stavebno – energetických systémoch s aktívnou tepelnou ochranou (ATO) vieme zatiaľ len veľmi málo. Väčšina týchto systémov je vo fáze experimentálneho overenia. Tento príspevok pojednáva o spôsobe šírenia tepla, o akumulačnej schopnosti a o optimalizácii príslušnej hrúbky tepelnej izolácie a rozostupu rúrok v tomto type stavebno-energetického systému. Bol vytvorený matematicko-fyzikálny model železobetónovej steny s aktívnou tepelnou ochranou. Uskutočnili sa stacionárne (časovo ustálené) parametrické simulácie, kde sa menili parametre príslušnej hrúbky tepelnej izolácie, parametre rozostupu rúrok ATO a parametre hrúbky železobetónovej steny. Uskutočnili sa taktiež nestacionárne simulácie (časovo neustálený dej), pri ktorých sa skúmala akumulačná schopnosť železobetónovej steny. Všetky tieto simulácie boli uskutočnené pri okrajových podmienkach predstavujúce zimné obdobie. Tento príspevok pojednáva taktiež aj o príprave experimentálnych meraní na fragmente steny s ATO v laboratórnych podmienkach (Klíma komora). Rozhodnutie pre tento výskum vyplýva z možnosti aplikácie ATO na bytové domy so železobetónovými obvodovými stenami, ktoré by mohli predstavovať dobrú akumulačnú schopnosť a vhodnosť pre tento druh stavebno-energetického systému.

Úvod

Spotreba tepelnej energie na vykurovanie objektov je jednou z kľúčových veličín, ktoré určujú, ako budú technicky riešené. Bežne známe a aplikované je zvyšovanie tepelno-izolačných parametrov vonkajších stavebných konštrukci a optimalizácia prevádzky technických zariadení budov. Zatiaľ na okraji pozornosti praxe stojí aktívna tepelná ochrana (ďalej len „ATO“) založená na vložení zdroje tepla do rozhrania tepelnej izolácie a nosnej časti vonkajších stien objektu. Typicky by mohlo ísť o dodatočné tepelne izolovanú panelovú výstavbu, ale i podobne riešené novostavby. V príspevku popisovaná ATO sa dá chápať ako velkoplošné stenové vykurovanie vložené do konštrukcie steny. O stavebno-energetických systémoch s ATO vieme zatiaľ len veľmi málo. Väčšina týchto systémov je vo fáze experimentálneho overenia. Rozhodnutie pre tento výskum vyplýva z možnosti aplikácie ATO na bytové domy so železobetónovými obvodovými stenami, ktoré by mohli zabezpečiť dobrú akumulačnú schopnosť. ATO by v tomto prípade mohla plniť nielen funkciu tepelnej bariéry ale aj ako systém pre nízkoteplotné vykurovanie a vysokoteplotné chladenie [1].

1. Charakteristika aktívnej tepelnej ochrany

ATO je systém rúrok medzi obvodovou stenou a tepelnou izoláciou po celom obvode konštrukcie. Potrubné systémy môžu byť v omietke, ak je stena murovaná z betónových tvárnic alebo priamo zaliate do betónového jadra steny. Na potrubné rozvody sa aplikuje kontaktný zatepľovací systém, ktorý musí mať dostatočnú hrúbku, aby nedochádzalo k nadmerným tepelným stratám. Systém ATO charakterizuje veľmi malé rozdiely teploty povrchu steny a teploty vzduchu interiéru. Povrch steny sála teplo alebo chlad do priestoru. ATO je možné využiť v zimnom období a taktiež aj v letnom období. V zimnom období slúži na nízkoteplotné vykurovanie a v letnom období ako vysokoteplotné chladenie Systém ATO Môže slúžiť ako [1]:

Tepelná bariéra (TB),
Nízkoteplotné vykurovanie,
Vysokoteplotné chladenie,
TABS (Termoaktívne betónové steny).

Tepelný prechod stavebnou konštrukciou závisí od teploty teplonosnej látky. Čím je vyššia teplota teplonosnej látky, tým sú menšie tepelné straty a tepelný odpor je väčší.

Konštrukčné riešenie pozostávajúce z tepelnoizolačných panelov ATO sa dajú vyhotoviť dvoma spôsobmi:

Vyfrézovaním drážok, viď obr. 1
Kladením do systémovej dosky, viď obr. 2

Obr. 1 ATO – vyfrézovanie drážok do polystyrénu [1]

Obr. 2 ATO – systémová doska [1]

Kontaktný zateplovací systém s ATO je odlišný od klasických zateplovacích systémov tým, že obsahuje aj rúrové rozvody. Napájanie panelov na prívodne a vratné potrubie je uskutočňované tak, aby jeden vykurovací/chladiaci okruh tvorený z panelov nebol väčší ako 15 m². Prívodné a vratné potrubie je vedené v kanáloch s štandardnými rozmermi 1000 × 500 × hr. panelov (min. 100 mm), 1000 × 650 × hr. panelov (min. 100 mm), 1000 × 800 × hr. panelov (min. 100 mm),1000 × 950 × hr. panelov (min. 100 mm). Principiálne riešenie zapojenia panelov s ATO je zrejmé z obr. 3 [1].

Obr. 3 Panely ATO, prívodné a vratné potrubie vedené v kanáloch [1]

2. Matematicko-fyzikálny model

Ako základ pre simulácie bol vyhotovený matematicko-fyzikálny model (viď obr. 4). Simulácie boli vykonávané v programe CalA (Calculation Area). Na obrázku č. 4. (matematicko-fyzikálny model) je vidieť farebne odlíšené materiály, z ktorých sa charakteristický fragment železobetónovej steny s aktívnou tepelnou ochranou (ATO) skladá. Jednotlivým materiálom boli v programe CalA priradené materiálové charakteristiky: d – hrúbka [m], ρ – objemová hmotnosť [kg/m³], λ – súčiniteľ tepelnej vodivosti [W/(m.K)], c – merná tepelná kapacita [J/(kg.K)] [2].

Obr. 4 Matematicko-fyzikálny model fragmentu železobetónovej steny s ATO a jednotlivé materiálové charakteristiky podľa STN 73 0540 – 3 podľa [2], [5]

3. Princíp stacionárnych a nestacionárnych simulácií

Pre stacionárne (časovo ustálený dej) platia rovnice:

1) Fourierova rovnica:

q = A . U. Δθ [W/m²],

kde: q je tepelný tok [W/m²], A je plocha [m²], U je súčiniteľ prechodu tepla [W/m².K] a Δθ je rozdiel teplôt [K].

2) Zákon zachovania energie:

q_nahor + q_nadol + q_napravo + q_naľavo = 0

Obr. 5 Grafické znázornenie priestorovej diskretizácie siete v programe CalA [3]

Pre nestacionárne (časovo neustálený dej) platia rovnice
1):

Q = (m.c.Δθ) => Q = (ρ.V.c.Δθ) / τ [W], [J/s]

kde: Q je tepelná energia [W], [J/s], 𝜌 je objemová hmostnosť [Kg/m³], c je merná tepelná kapacita [J/kg.K], Δθ je rozdiel teplôt [K], 273,15 K = 0 °C, τ je čas [h].

Pri nestacionárnych simuláciách sa stretávame s pojmami ako „Time step“ (časový krok) a „Time span“ (dĺžka časového kroku) a s pojomom „priestorová diskretizácia“ (V) – dx,dy,dz [3].

4. Parametrické simulácie

Predmetom parametrických simulácií bolo zistiť vplyv hrúbky tepelnej izolácie, vplyv hrúbky železobetónu a vplyv rozostupu potrubia na tepelný tok do exteriéru a do interiéru. Boli stanovené okrajové podmienky: výpočtová teplota exteriérová teplota Ө_e = −11 °C, teplota interiéru Ө_i = 20°C, teplota teplonosnej látky Ө_p = 25 °C a rozostup rúrok L = 200 mm.

Obr. 6 Grafy znázorňujúce vplyv hrúbky tepelnej izolácie na tepelný tok [2]

Na obrázku 6 sú znázornené krivky, ktoré sú farebne odlíšené podľa meniacej sa hrúbky železobetónu. Napríklad fialová krivka predstavuje 200mm hrúbku železobetónu. Z obrázku 6 na ľavej strane je zrejmé že so zvyšujúcou sa hrúbkou tepelnej izolácie tepelný tok smerom do interiéru rastie a z obrázku 6 na pravej strane je zrejmé že naopak čím väčšia je hrúbka tepelnej izolácie tým menší je tepelný tok do exteriéru a taktiež je vidieť, že hrúbka železobetónu nemá takmer žiaden vplyv na tepelný tok smerom do exteriéru.

Ďalším parametrom ako predmet skúmania bol vplyv rozostupu potrubia na tepelný tok. Fragment mal hrúbku železobetónu 100 mm. Menila sa hrúbka tepelnej izolácie čo je vidieť farebne odlíšenými krivkami z obr. 7 Menil sa taktiež rozostup potrubia L [mm]. Boli stanovené nasledovné okrajové podmienky: výpočtová teplota exteriérová teplota Ө_e = −11 °C, teplota interiéru Ө_i = 20 °C, teplota teplonosnej látky Ө_p = 25 °C.

Obr. 7 Grafy znázorňujúce vplyv rozostupu potrubia na tepelný tok [2]

Z obr. 7 naľavo je evidentné, že vplyv rozostupu potrubia na tepelný tok smerom do interiéru je markantný. So znižujúcim sa rozostupom potrubia tepelný tok smerom do interiéru rastie a naopak. Z obr. 7 napravo je zjavné, že vplyv potrubia na tepelný tok smerom do exteriéru nie je až tak badateľný.

5. Simulácie akumulácie tepla fragmentu steny s ATO

Predmetom skúmania boli 4 dni rozdelené po hodinách pričom okrajové podmienky boli stanovené:

výpočtová teplota exteriérová teplota Ө_e = −11°C, teplota interiéru Ө_i = 20°C, teplota teplonosnej látky Ө_p = 25 °C. Parametre fragmentu boli nasledovné: rozostup rúrok L = 150 mm, tepelná izolácia (TI) 150 mm a hrúbka železobetónu (ŽB) bola 100 mm. Systém ATO pri 25 °C bol zapnutý v čase 5:15 prvého dňa a vypnutý v čase 24:00 prvého dňa. Sledované boli teploty [K] v 6 bodoch fragmentu. Na obr. 8 je vidieť porovnanie teplotného poľa fragmentu s ATO a bez ATO [6], [9], [10], [11], [12].

Obr. 8 Porovnanie teplotného poľa, fragment s ATO [2], [4], [6]

Obr. 8 Porovnanie teplotného poľa, fragment bez ATO v čase 24:00 prvého dňa [2], [4], [6]

Obr. 8 Porovnanie teplotného poľa zľava fragment s ATO, napravo fragment bez ATO v čase 24:00 prvého dňa [2], [4], [6]

Obr. 9 Priebeh teplôt v železobetónovej stene s ATO počas 4 dní v bode 1, 2 a 3 [2], [4]

Obr. 10 Priebeh teplôt v tepelnej izolácii fragmentu počas 4 dní v bode 4, 5 a 6 [2], [4]

Na obr. 9 je v pravo hore znázornený model steny s ATO, kde sú vyznačené body 1, 2 a 3, v ktorých bola sledovaná teplota. Bod 1 je pri rúrke ATO v železobetóne, bod 2 sa nchádza v strede železobetónu a bod 3 na povrchu železobetónu zo strany interiéru. Priebeh teplôt bodov 1, 2 a 3 je znázornený krivkami na obr. 9. Priebeh teplôt bodov 4, 5 a 6 na obr. 10 vychádza z modelu steny s ATO ktorý je znázornený na obr. 9. Bod 6 je v tepelnej izolacii v blizkosti rúrky ATO, bod 5 je v strede tepelnej izolácie a bod 4 je na povrchu tepelnej izolácie v exteriéry. Z obr. 9 je zjavné, že čas potrebný na to, aby sa systém ustálil od doby zapnutia systému a vykazoval v bode 1 => teplotu 25 °C, je zhruba 19 h pri daných okrajových podmienkach. Doba chladnutia železobetónovej steny predstavuje okolo 9 h [4].

Nasledujúcou nestacionárnou simuláciou bola simulácia 7 dní v zimnom období s parametrami fragmentu : ŽB 100 mm, TI 150 mm, L 150 mm pri okrajových podmienkach: Ө_i = 20 °C, Ө_e = od 0 °C po −14 °C. Bolo sledovaných 5 oblastí fragmentu. Systém ATO bol vypínaný vždy o 22:00 hodine a zapínaný vždy o 5:00. Teplota ATO sa menila z 20 °C na 25, 30, 35 a 40 °C.

Obr. 11 Tepelný tok smerom do interiéru q_i fragmentu počas 7 dní v zimnom období [2]

Z grafu na obr. 11 je evidentné, že pri vypnutí systém o 22:00 postupne tepelný tok q_i klesá a naopak v čase 5:00 po opätovnom spustení systém ATO tepelný tok q_i znova rastie. Markantný je aj rozdiel tepelných tokov q_i pri rôznych teplotách ATO.

Obr. 12 Tepelný tok smerom do exteriéru q_e fragmentu počas 7 dní v zimnom období [2]

Z grafu na obr. 12 je vidieť priebeh tepelných tokov q_e pri jednotlivých teplotách ATO. Na grafe z obr. 13 môžeme vypozorovať povrchové teploty pri rozličných teplotách ATO a pri rôznych teplotách Ө_e čo môžeme vidieť aj v tabuľke 1.

Obr. 13 Povrchová teplota interiéru Ө_pi fragmentu stenys ATO počas 7 dní v zimnom období [2]

Z obrázku 10. a tab. 1 môžeme vidieť, že pri teplote ATO 20 °C sú interiérové povrchové teploty pod 20 °C a pri teplotách ATO 25, 30, 35 a 40 °C je interiérová povrchová teplota nad 20 °C. Dá sa teda povedať, že pri vyššej teplote ako 20 °C v ATO interiér vykurujeme.

Tab. 1. Interiérová povrchová teplota `Ө`_pi fragmentu steny s ATO počas 7 dní v zimnom období [2]

6. Porovnanie ATO ako nízkoteplotné vykurovanie a ATO ako tepelná bariéra

Na obr. 14 a 15 vidieť porovnanie teplotného poľa a tepelných tokov ATO pri 25 °C, je vidieť toky smerujúce do interiéru, čo je potvrdené aj šípkami smerom napravo. Naopak pri ATO 20 °C smerujú šípky naľavo smerom do exteriéru aj v železobetónovej stene.

Obr. 14 Porovnanie zľava ATO ako nízkoteplotné vykurovanie a ATO ako tepelná bariéra

Obr. 15 Tepelné toky ATO ako nízkoteplotné vykurovanie [2]

Obr. 15 Tepelné toky ATO ako tepelná bariéra [2]

Obr. 15 Tepelné toky zľava ATO ako nízkoteplotné vykurovanie a ATO ako tepelná bariéra [2]

7. Príprava na experimentálne merania v laboratórnych podmienkach (klimatická komora)

Bol vybetónovaný fragment železobetónovej steny o rozmeroch 1140 × 1360 mm, ktorý vidieť na obr. 16, kde je možné taktiež vidieť systém technických zariadení budov zabezpečujúci ohrev a chladenie vody: 1 – elektrický ohrievač, 2 – zásobník vody, 3 – železobetónový fragment hrúbky 100 mm, 4 – skrinka pre meranie a reguláciu, 5 – obehové čerpadlo, 6 – trojcestný ventil so servopohonom, 7 – prívod vody, 8 – odpadové potrubie, 9 – solenoid, 10 – prietokomer, 11, 12 – snímače teploty na prívodnom a vratnom potrubí.

Obr. 16 Termovízne snímky s potrubným registrom

Obr. 16 Systém TZB s fragmentom steny a termovízne snímky s potrubným registrom

7.1 Regulácia teploty v zdroji tepla

V elektrickom ohrievači je umiestnený odporový snímač teploty T5, ktorý vysiela signál do regulátora. V regulátore sa signál vyhodnotí a po dosiahnutí nastavenej žiadanej teploty regulátor preruší prívod elektrického prúdu do ohrievača čím sa vypne z prevádzky. Regulátor opäť obnoví prívod el. energie do ohrievača, až keď teplota v ohrievači klesne pod nastavenú spínaciu diferenciu. Na obr. 16 vpravo dolu je možné vidieť termovíznu snímku fragmentu s teplotou teplonosnej látky 40 °C na prívodnom potrubí vykurovacieho registra.

7.2 Regulácia teploty vykurovacej a chladiacej vody

Odporový snímač teploty T1, ktorý je umiestnený na prívodnom potrubí za obehovým čerpadlom vysiela signál do regulátora. V regulátore sa signál vyhodnotí a po prekročení teploty nad žiadanú hodnotu, regulátor vyšle signál do servopohonu trojcestného zmiešavacieho ventilu. Servopohon spojito otvára priamu cestu ventilu a primiešava vratnú vodu v takom pomere, aby teplota prívodnej vody mala vždy požadovanú hodnotu.

7.3 Regulácia teploty a stráženie hladiny chladiacej vody v zdroji chladu

V spodnej časti zásobníka je umiestnený odporový snímač teploty T3, ktorý vysiela signál do regulátora. V regulátore sa signál vyhodnotí a po prekročení nastavenej žiadanej teploty regulátor vyšle signál do elektromagnetického ventilu, ktorý sa otvorí a začne sa do zásobníka primiešavať studená voda (prebytočná voda odteká samospádom do kanalizácie). Regulátor opäť zatvorí elektromagnetický ventil keď teplota v spodnej časti zásobníka klesne pod nastavenú spínaciu diferenciu. Vo vrchnej časti zásobníka je umiestnený snímač zaplavenia. Po dosiahnutí maximálnej hladiny vody v zásobníku snímač vyšle signál do regulátora, ktorý uzatvorí elektromagnetický ventil a zastaví tak prívod vody do zásobníka. Regulátor opäť otvorí elektromagnetický ventil, keď hladina vody v zásobníku klesne pod maximálnu hodnotu.

Záver

Vzhľadom na výsledky stacionárnych parametrických simulácií, z ktorých je zrejmé, že hrúbka železobetónovej steny nemá takmer žiaden vplyv na tepelný tok smerom do interiéru ani do exteriéru, bol stanovený optimálny parameter hrúbky železobetónovej steny aj s ohľadom na obmedzené možnosti v klíma komore na 100 mm. Výsledkom stacionárních parametrických simulácií bolo aj to, že hrúbka tepelnej izolácie má výrazný vplyv na tepelné toky. Avšak optimálny parameter hrúbky tepelnej izolácie bol stanovený na 100 mm. Optimálny parameter rozostupu potrubia bol stanovený na 150 mm. Výsledkom prvej nestacionárnej simulácie bolo zistenie doby nábehu (čas ustálenia) systému ATO po zapnutí, a to konkrétne 19 h. Výsledkom je taktiež zistenie doby vybíjania nahriatej steny respektíve akumulačnej schopnosti ATO a to konkrétne okolo 9 hodín. V druhej nestacionárnej simulácii za výsledok môžeme pokladať zistenie, že pri daných okrajových podmienkach dokážeme aj po vypnutí systému ATO v čase 22:00 do 5:00 a využití tak nočného útlmu, dokážeme interiérový priestor vykurovať okrem prípadu, kedy v ATO využijeme teplotu 20 °C. Pri teplote 20 °C v ATO je tepelný tok smerom do interiéru opačný čo je vidieť na obr. č. 14. Výskum bude pokračovať v laboratórnych podmienkach v klíma komore, kde sa budú uskutočňovať merania na fragmente železobetónovej steny s ATO v kooperácií so systémom, ktorý je možné vidieť na obr. 16 a o ktorom je viac informácií uvedených v kapitole 7.

Poďakovanie

Poďakovanie patrí firme PAVJAN s.r.o. za výrobu železobetónového fragmentu steny a firme Regulaterm s.r.o. za výrobu TZB systému na vykurovanie a chladenie.

Literatúra

Kalús D. – Osvedčenie: Tepelnoizolačný panel pre systémy s aktívnym riadením prechodu tepla, 63 s. – SK 5725 Y1.
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.
Šikula O. – Počítačové modelování tepelně aktivovaných konstrukcí. Brno, Česká republika, 39 s., ISBN 978-80-214-4308-2.
Gebauer G. – Termika pro TZB – základní úlohy v příkladech. Vysoké učení technické v Brně, Česká republika 1996, 56 s., ISBN: 802140745X.
STN 73 0540-2, Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov, funkčné požadavky.
STN 73 2901 – Zhotovenie vonkajších kontaktných tepelnoizolačných systémov (ETICS).
Európska rada: Smernica Európskeho parlamentu a rady 2010/31/EÚ z 19. mája 2010 o energetickej hospodárnosti budov.
STN 06 0892 – Ústredné sálavé vykurovanie so zabetónovanými rúrkami.
MVRR SR. Zásahy do nosných konštrukcií panelových bytových domov, Bratislava, 2008, s. 120, ISBN –978–80–89073–14–6.
Sternová Z.a kolektív. Atlas tepelných mostov. Jaga group s.r.o. Bratislava, 2006, s. 289, ISBN–80–8076–034–9.
Dušan Petráš, Daniel Kalús, Daniela Koudelková. Vykurovacie sústavy – Cvičenia a ateliérová tvorba. Bratislava: Vydavateľstvo STU v Bratislave, 2002. ISBN 80-227-1643-X.
Zuzana Sternová. Obnova bytových domov 2 – Hromadná bytová výstavba po roku 1970. Bratislava: Jaga group, 2002. ISBN 80-88905-68-0.

English Synopsis

Research of a Wall Energy System with Active Thermal Protection

This article is focused on the theory of heat distribution, thermal energy storage ability in the construction according to the thickness of thermal insulation and optimizing its design, also impact of pipe spacing in this type of energy-construction system. Mathematics and Physics model of reinforced concrete wall with active thermal protection was developed. It was run series of Steady-State simulations at this model with different input data about thermal insulation thickness, pipe spacing and concrete wall thickness. Unsteady simulations analyzed the possibility of thermal energy storing in this kind of construction systems. This article also describes preparation of experimental measurement in the environment of the Climate chamber.