Systémy tepelné aktivace betonového jádra a jejich využití pro zvýšení uživatelského komfortu budov
Concrete core thermal activation systems and it's use for living comfort increase
Článek popisuje možnosti využití systémů tepelné aktivace betonového jádra pro vytápění a chlazení budov. Shrnuje přehled výhod a nevýhod tohoto systému a dále se zabývá problematikou regulace takových systémů. V poslední části se věnuje popisu vytvoření experimentálního modelu s tepelnou aktivací betonového jádra, který slouží k testování různých přístupů k řízení způsobu dodávání energie pro chlazení či vytápění. V našem konkrétním případě je řešení založeno na tzv. prediktivní regulaci na bázi modelu (MPC).
Představení a historie systému
Obr. 1 Regulační prvek firmy Skokan
Tepelná aktivace konstrukcí budovy je způsob vytápění, který se začal využívat ve 30. letech 20. století. Ve Spojených státech tento systém prosazoval architekt Frank Lloyd Wright, když při stavbě tzv. Usonian buildings vkládal do konstrukce podlahy kovové potrubí, jež sloužilo k sálavému vytápění objektu. V Evropě se mezitím začal rozšiřovat systém Crittall [1], který fungoval na stejném principu. Na našem území tento systém instalovala již před druhou světovou válkou firma Skokan (viz ilustrační obrázek 1) a ještě do dnešní doby lze nalézt budovy, kde je tento systém udržován a ke spokojenosti vlastníků i nájemníků provozován.
Po válce u nás postupně docházelo k nevhodnému nasazování tohoto způsobu vytápění i do budov s lehkým obvodovým pláštěm a velkými solárními zisky, kde tato kombinace byla odsouzena k neúspěchu. Až od 90. let se systém aktivace konstrukcí opět začal častěji využívat [2].
Tehdejší neúspěch tohoto způsobu vytápění a chlazení byl způsoben zejména nízkou tepelně izolační kvalitou obálky budovy, nedostatečným výkonem chlazení, nezřídka se vyskytovala i nežádoucí kondenzace vlhkosti, docházelo k problémům s těsností svárů či korozí rozvodných trubek nebo jejich porušením neodborným zásahem do konstrukce.
Technická realizace
Systém tepelné aktivace konstrukce (v angl. nazývaný TABS – thermally activated building systems, takto jej budeme označovat i dále v textu; nebo též CCA – concrete core activation, v němčině pak BKT – Betonkernaktivierung) je tedy systém pro vytápění a chlazení zabudovaný do podlah či stropů budov. Systém se skládá z trubek různé konstrukce integrovaných v betonových vrstvách konstrukce stropu. Skrze trubky potom proudí teplonosná látka (např. voda), které se stará o tepelnou výměnu mezi betonovou deskou (a následně místností) a zdrojem tepla/chladu (např. kotel/chladicí rozvod) [3]. Různé typy konstrukce jsou dobře shrnuty též v [2].
V současné době se namísto kovových trubek využívají PEX hadice (ze zesíťovaného polyetylenu), takže odpadá problém s korozí a netěsností spojů. Koncepci systému je nutné ale dobře navrhnout už ve fázi projektu a přizpůsobit tomu i samotnou budovu, další technologie a způsob provozování budovy. Absence komplexního návrhu nebo nedostatek zkušeností jsou častými faktory, které brání širšímu rozvoji TABS systému.
TABS dnes nalézá uplatnění hlavně v kompaktních budovách s nízkými tepelnými ztrátami a malými tepelnými zisky. Ukázka technické realizace experimentálního TABS systému je na obrázku 2. Detaily budou uvedeny dále v textu.
Výhody TABS systému
Oproti konvenčním přístupům k chlazení a vytápění lze u TABS, díky velké tepelné kapacitě betonové konstrukce a velké ploše, která je využita k přestupu tepla/chladu do jednotlivých místností, využít i nízkých teplot otopné vody resp. vyšších teplot pro chlazení k zajištění dostatečného tepelného komfortu. Pro případ vytápění lze použít nízkoteplotní zdroje s teplotou jen do 35 °C (například u tepelných čerpadel lze tuto výstupní teplotu získat s velmi příznivým topným faktorem COP), ale je možné uvažovat i o využití odpadního tepla nebo jiných zdrojů tepla. Naopak pro chlazení v našich podmínkách stačí teploty okolo 18 °C, což lze získat i pouhým pasivním protékáním chladicí vody horizontálním zemním výměníkem tepla nebo vrtem [4].
Aktivní využití rovněž vede k tomu, že lze posouvat (a to i až o několik hodin) dodávku tepla do betonové konstrukce. Toho se s úspěchem využívá zejména ke snížení odběrových špiček (např. v noci je primárně nízkoteplotní odběr TABS s vysokým COP, přes den odběr vzduchotechniky na vyšších teplotách s nižším COP), nebo k demand-response aplikacím (kdy je spotřeba řízena pomocí nějakého cenového signálu). Pokud se jedná o budovu, která má získat některou z forem energetické certifikace, lze za demand-response získat zajímavou bonifikaci. A je-li zdrojem TABS tepelné čerpadlo, je možné například také regulovat výkon podle aktuální ceny elektrické energie na trhu.
Z pohledu investičních nákladů je TABS zajímavý tím, že není třeba budovat podhledy a tak lze do určité výšky budovy vměstnat více pater. TABS je navíc už sám o sobě koncovým prvkem, kterým je možné jak vytápět, tak i chladit a nepotřebuje tak další přídavné prvky pro vytápění či chlazení. Jediným nutným doplňkem k TABS je systém mechanického větrání, zajišťující dostatečné množství čerstvého vzduchu, jeho přípravu s parametry, které v případě chlazení minimalizují riziko kondenzace vodní páry, a starající se o odvádění náhlých špiček vnitřních tepelných zisků.
Po provozní stránce je TABS systém ve srovnání s běžným klimatizačním systémem prakticky bezúdržbový.
Povrchové teploty TABS jsou velmi blízké teplotě prostoru. Malé teplotní rozdíly a vyšší podíl sálavé složky jsou lidmi vnímány příznivěji (v porovnání s koncovými prvky sdílejícími teplo převážně prouděním vzduchu). Aplikace TABS systémů s ohledem na uživatelský komfort je i předmětem různých studií. [5]
Řízení TABS systému
Jak bylo uvedeno výše, největší překážkou při využití TABS je nutnost komplexního návrhu, kde se může negativně projevit nedostatek zkušeností. Jako velký problém se ale ukazuje i samotná regulace, u které je nutné vhodným způsobem dávkovat výkon rozložený v čase tak, aby nedocházelo k nechtěnému přetápění nebo nedotápění budovy. V případě diskomfortu totiž nelze „rychle“ (kvůli velké tepelné setrvačnosti betonové konstrukce) zajistit opětovné dosažení komfortu. Odstranění problému tak může trvat v extrémním případě třeba i celý den, což je v případě kancelářských budov nepřípustné.
Ideální scénář provozování TABS je tedy takový, že hlavní energetické potřeby chlazení/vytápění jsou dodány budově s vysokou účinností právě pomocí TABS a o zbytek se stará další technický systém.
Prediktivní regulace
Komplexní úlohu prediktivního řízení TABS realizujeme pomocí prediktivního regulátoru (MPC z angl. Model Based Predictive Control), s nímž lze plánovat dodávku energie dopředu. MPC totiž funguje tak, že regulátor má k dispozici dynamický model systému, který řídí a na základě modelu je schopný předvídat chování reálného systému v blízké budoucnosti (například den dopředu). Ke správné předpovědi budoucího vývoje systému je rovněž nutná znalost vnějších vlivů, které ovlivňují spotřebu – zejména venkovní teploty a slunečního osvitu. Předpověď teploty je dostupná z řady zdrojů, ale co se týká předpovědi slunečního osvitu, nabízí se využití služby pvforecast.cz, která predikuje pro danou lokalitu sluneční osvit na 24–48 h, což je naprosto dostačující pro účely MPC.
Výsledkem potom je, že ve srovnání s tradičním typem reaktivního řízení, které se běžně používá (například s využitím PID regulátoru), zde dochází k akčním zásahům již v delším předstihu (proto také prediktivní regulace) a může být tak dosaženo lepší kvality řízení. S tím potom souvisí i rozložení akčních zásahů (energie chlazení/vytápění) v čase přesně tak, jak je třeba v případě řízení TABS. Detailnější informace o problematice prediktivního řízení je uvedena v [6].
Pro nastavení MPC regulátoru je třeba vždy nejdříve matematicky formulovat cíle řízení, tj. zvolit tzv. kriteriální funkci, se kterou bude algoritmus MPC pracovat. Volba vhodné kriteriální funkce ale není úplně triviální, navíc ne každá formulace kriteriální funkce je vhodná pro použití v oblasti řízení budov [7]. Volba závisí nejen na tom, které parametry chceme řídit (například minimalizovat cenu chlazení, zachovat určité komfortní teploty atd.), ale je také třeba správně nastavit váhy u jednotlivých členů funkce (zastupujících výše zmíněné různé parametry řízení). Proto jsme se rozhodli vytvořit platformu, na které by se dala prediktivní regulace TABS zkoušet.
Model miniTABS
Pro provedení reálných testů různých přístupů pro regulaci TABS byl v Univerzitním centru energeticky efektivních budov tedy vytvořen model TABS struktury – MiniTABS.
MiniTABS se skládá z nosné dřevěné konstrukce (d/š/v 2,7 × 1,65 × 1,5 m, plocha 4,46 m2), na které se nachází betonová deska TABS. Trubky (PEX) pro médium jsou zabetonovány do středu výšky desky mezi ocelovou výztuž.
Výška tohoto betonového TABS panelu je 18 cm. Dřevěná konstrukce je tepelně izolována minerální vlnou (ve skladbě podlahy) a extrudovaným polystyrenem (z vnější strany – stěny, střecha). Fotky ze stavby experimentálního zařízení jsou na obrázku 2.
a
b
c
d
e
Obr. 2 Realizace experimentálního miniTABS. a) detail rozložení trubek v železné armatuře, která je následně zalita do betonu, vlevo nahoře přípojka pro vstupní a výstupní médium. b) čerstvě vybetonovaná deska se vstupem a výstupem plastového potrubí. c) příprava dřevěné kostry. d) TABS deska usazená na dřevěnou kostru. e) finální miniTABS včetně izolace.
MiniTABS sice nemá okna, v konstrukci se ale nachází přímotop (Sencor SCF 2003 s maximálním výkonem 2 kW), kterým je možné spojitě simulovat různé sluneční zisky. Tím je možné testovat tepelnou dynamiku místnosti nejen v souvislosti s vlivem chlazení, ale i tepelnými zisky, které v praxi nejsou zanedbatelné. V našich experimentech takto i simulujeme střídání dne a noci.
Model je osazen senzory, které měří teplotu betonového jádra v několika vrstvách, teplotu vzduchu v místnosti (v různých výškách), povrchové teploty jednotlivých stavebních prvků, hustoty tepelného toku na vnitřních površích stavebních prvků, teplotu chladicí a vratné vody. Třícestný ventil (Domat VD131 20-6.3) reguluje množství chladicí vody, která jde do miniTABS systému a čerpadlo (Grundfos Magna 25-40) se stará o jeho kontinuální proudění vody potrubím.
Algoritmy řízení jsou implementovány na serveru v prostředí MATLAB. Komunikace s PLC, které pomocí PID regulátoru řídí otevření třícestného ventilu a tím i tepelný výkon do mini TABS, je realizována přes RcWare PLC proxy, které zároveň umožňuje i komunikaci s MATLABem a databází (Mervis DB, ukládání historických dat). Celý proces je možné vizualizovat přes SCADA (Mervis SCADA). Na severu potom běží instance MATLABu, ve které je implementován matematický model miniTABS. Ten je odvozen na základě fyzikálních parametrů použitých materiálů za využití RC-modelování. MATLAB pak také realizuje výpočet řízení MPC, jak je znázorněno na obrázku 3. Protože se miniTABS nachází ve vnitřních prostorách budovy UCEEB, probíhají experimenty pouze na chlazení, neboť vytápět miniTABS by nebylo nutné.
Obr. 3 Komunikační schéma řízení miniTABS (čárkované šipky označují toky informací, plné šipky toky energií)
Experimenty
V řadě vědeckých publikací se setkáváme s formulacemi MPC, které lze použít pouze pro simulační účely, ale není možné je použít v praxi pro řízení reálného systému, kde narážíme na nejistoty matematického modelu, nejistoty odhadu vnitřních nebo solárních zisků apod. Tyto nejistoty mohou výrazně zhoršit kvalitu řízení a v některých případech způsobit i to, že numerická optimalizace, která tvoří jádro MPC algoritmů, nenajde žádné řešení, což v praxi znamená nemožnost regulace.
V současné době na MiniTABS testujeme několik různých formulací kriteriální funkce MPC řízení, které zahrnují například cenu dodané energie, zachování komfortní teploty, kvalitu řízení, vyhlazenost akčních zásahů, a další parametry. Díky miniTABS se postupně daří ukazovat na praktickém příkladu problémy některých těchto formulací kriteriální funkce MPC řízení, často i publikovaných v odborných periodikách. V současné době připravujeme i odborný článek, který má za cíl na tato úskalí upozornit a porovnat je nejen z hlediska kvality regulace, ale i z hlediska energetické náročnosti.
Závěr
Cílem tohoto článku bylo seznámit čtenáře s TABS systémem vytápění a chlazení budov, jeho výhodami a otázkou řízení. K účelům testování různých nastavení prediktivního řízení a zkoumání jeho kvality byl v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT vyroben testovací model miniTABS, na kterém v současné době provádíme experimenty, které mají vést k lepšímu pochopení problematiky prediktivního řízení TABS a též ke zlepšení kvality řízení a výsledného tepelného komfortu.
I na základě těchto experimentů dále vylepšujeme řídicí algoritmy použité například na pilotní aplikaci na budově ČVUT v Praze [8]. Dalším možným směrem využití miniTABS je například studium problematiky kondenzace vlhkosti při chlazení a další zlepšování algoritmů prediktivní regulace v oblasti řízení budov v návaznosti na ostatní technologie TZB v budovách.
Literatura
- RG Crittall, JL Musgrave, Heating and cooling of buildings – GB patent, 1927
- Joaquim Romaní, Alvaro de Gracia, Luisa F. Cabezaa, Simulation and control of thermally activated building systems (TABS), Energy and Buildings, 2016
- Ján Babiak, Využití tepelně aktivních prvků stavební konstrukce, 2011,
http://www.asb-portal.cz/tzb/energie/vyuziti-tepelne-aktivnich-prvku-stavebni-konstrukce - Bockelman, Franziska, Stefan Plesser, and Hanna Soldaty. Advanced system design and operation of GEOTABS buildings. Rehva, 2013.
- Beat Lehmann, Viktor Dorer, Markus Koschenz, Application range of thermally activated building systems tabs, 2006
- Jiří Cigler, Model Predictive Control for Buildings, 2013,
https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/images/5/5f/Diz_2013_cigler_jiri.pdf - Jiří Cigler, Jan Široký, Milan Korda, Colin Jones, On the selection of the most appropriate MPC problem formulation for buildings. 11th REHVA World Congress CLIMA 2013
- Jan Široký, Jan Kubeček, Petr Kudera, Prediktivní řízení vytápění budov – pilotní aplikace, 2011,
http://vytapeni.tzb-info.cz/mereni-a-regulace/7566-prediktivni-rizeni-vytapeni-budov-pilotni-aplikace
This article deals with thermally activated building's concrete core for heating and cooling. It sums up advantages and disadvantages of this approach. In the second part we describe the development of the test room with thermally activated system, which is an experimental facility for testing of different control approaches. In our case we focus on the model based predictive control (MPC).