Komfortní chlazení kancelářských budov s využitím tepelně aktivních prvků stavební konstrukce
1. Všeobecné vlastnosti a volba systému
Fyzikální princip systému s integrovanými trubkovými registry v ocelově-betonovém stropě během provozu využívá tepelnou kapacitu stavební konstrukce. K dosažení akumulace tepla má systém ve většině případů registr trubek integrovaný uprostřed stropní konstrukce nebo stěny. Samotná akumulace a výměna tepla do prostoru může nastat v různé době vzhledem k využívání budovy. V noci konstrukci vychlazujeme (léto) a během dne do ní akumulujeme teplo od vnitřních a vnějších zisků. Tímto způsobem dosáhneme snížení špičkové denní zátěže a odvádíme tepelné zisky časově mimo pracovní dobu, což nám umožňuje využít zvýhodněný noční tarif pro odběr elektrické energie i snížení potřebného instalovaného výkonu chladicího zařízení přibližně o 30 až 40 %.
Rozložení teploty v tepelně aktivní konstrukci – složení s akustickou izolací a vzduchovou mezerou
Důležitou provozní vlastností systému je, že nedokáže udržovat teplotu v místnosti v tak úzkém rozsahu, jako klimatizační systémy. V praxi většinou dochází k mírnému nárůstu teploty během dne o cca 0,3 až 0,5 °C/h. Systém může pracovat v režimu chlazení i vytápění a využívá teplonosné médium (vodu) takové teploty, která je v obou režimech blízká teplotě místnosti (rozdíl je většinou menší než 10 °C). Tato vlastnost umožňuje efektivnější využívání nízkopotenciálních zdrojů energie, jako jsou tepelná čerpadla, zemní výměníky tepla apod. Malý teplotní rozdíl mezi aktivní konstrukcí a místností se projevuje také v takzvané samoregulační schopnosti systému. Jen nepatrná teplotní změna mezi teplo směnným povrchem a místností dokáže výrazně změnit prostup tepla, který je charakterizován výraznou změnou součinitele přestupu tepla konvekcí.
Za účelem efektivního využívání systému by budova měla být vybavena tepelně izolovanou obvodovou konstrukcí (příp. účinným stínicím systémem) a měla by mít malé a pokud možno stejné tepelné ztráty a zisky. Důležitý je pravidelný charakter denního cyklu vnitřních tepelných zátěží. Na základě zkušeností můžeme stanovit optimální tepelnou zátěž do 30 W/m2. V případě předpokládané vyšší tepelné zátěže v rozmezí 40 až 60 W/m2 je nutné při návrhu ověřit dynamické chování systému počítačovou simulací. V budovách, kde tepelná zátěž převyšuje 60 W/m2, se doporučuje nainstalovat doplňkový systém s rychlejší odezvou pro úpravu tepelného prostředí.
2. Výměna tepla a dynamické chování systému
Termovizní snímek s povrchovými teplotami (velkoplošná kancelář)
Z fyzikálního hlediska závisí poměr množství tepla sdíleného mezi teplo-směnnou plochou aktivní konstrukce a místností sáláním a konvekcí na aktuálním režimu systému (chlazení nebo vytápění) a také na umístění aktivního elementu v místnosti (strop, stěna, podlaha). Tento poměr se pohybuje od 1/1 do 9/1 a lze jej určit z porovnání součinitelů prostupu tepla. Detailní popis dosahovaných hodnot součinitele prostupu tepla je popsán v literatuře [3]. Rozdělení poměru prostupu tepla sdíleného přes strop a podlahu závisí na složení dané stavební konstrukce. Zařazení tepelné/akustické izolace nebo vzduchové mezery do konstrukce stěny (podlahy) pro účel vedení instalací výrazně sníží prostup tepla podlahou do místnosti směrem nahoru (obr. 1).
3. Provoz TAB systému v administrativní budově v Hamburgu
V budově S-KAI v Hamburgu (oblast Hafen City) bylo v létě 2009 provedeno měření, jehož cílem bylo ověřit chování a výkon Uponor TABS firmy systému v letním provozu během nejteplejšího letního dne s venkovní teplotou 34 °C [4]. Výběr extrémně teplého dne ukazuje nejvyšší zátěž systému – v ostatních dnech, kdy bude teplota během dne nižší, budou i teplotní podmínky v hodnocené budově příznivější. Budova je novostavbou.
3.1 Metoda měření
Měřeny byly dvě místnosti na prosklené jižní fasádě ve druhém nadzemním podlaží. Místnosti nejsou opatřeny žaluziemi: 1. velkoplošná kancelář – jih, 2. rohová kancelář – jihozápad.
V každé místnosti byly měřeny dva modelové případy:
A. stav s otevřenými okny (15.00 – 17.00),
B. stav 30 min. po zavření oken (17.30 – 18.30).
3.2 Naměřené parametry
Měřením byly zjištěny tyto parametry: teplota chladicího média – 17/19,5 °C, venkovní teplota – 34 °C, relativní vlhkost ve venkovním prostředí – 48 %, absolutní vlhkost ve venkovním prostředí – 16,5 g/kgsv.
V budově byl naměřen tepelný výkon 55 W/m2 a systém potvrdil schopnost vychladit administrativní budovu i během špičkové chladicí zátěže v létě, která je typická pro střední Evropu. Při venkovní teplotě 34 °C systém za 30 minut vychladil hodnocené místnosti s otevřenými okny pomocí předchlazené tepelně aktivní stropní konstrukce z 33 °C v interiéru na 26 °C.
4. Budoucnost tepelně aktivních konstrukcí
Rohová místnost orientovaná na jihozápad
Po letech výzkumu a vývoje je systém TABS plně vyvinutý, aplikovatelný a komerčně běžně dostupný. V současnosti je často instalovaný v širokém spektru budov, především však v německy mluvících zemích a jihozápadní Evropě. Výroba celých prefabrikovaných stropních bloků s předem integrovanými trubkovými registry a rozdělovači přináší ulehčení výroby a montáže [3].
V Německu byl vyvinut vysoce výkonný TABS s trubkami relativně blízko k povrchu stropu. Konstrukce pak vytváří prostor pro zapojení dodatečného závěsného chladicího panelu v místnostech se zvýšenou chladicí zátěží jako jsou například konferenční a rohové místnosti [5].
V posledních letech byl ve Švýcarsku vyvinut systém akumulace tabsRetofit pro rekonstrukce a tzv. „lehké“ budovy. Systém je schopen využít pro akumulaci jak citelné tak i latentní teplo pomocí speciálních materiálů, parafínů [6].
Závěr
V současnosti se v našich krajích používá tepelná aktivace pro chlazení administrativních budov spíše zřídka. Většina kancelářských budov je stále chlazena pomocí „klasického“ provedení vytápění nebo klimatizace s vysokými energetickými nároky. V budově s vysokou letní tepelnou zátěží (např. s prosklenou fasádou) je provoz chlazení klimatizačním systémem kromě energií náročný i na údržbu, právě kvůli vysokým dávkám vzduchu potřebným pro tepelnou úpravu – vychlazení prostoru. Výhodou je udržování parametrů mikroklimatu v úzkém rozsahu komfortní zóny.
Navzdory snaze projektantů se však často vyskytují nespokojenosti z řad uživatelů především z důvodu obtěžování průvanem, či pro příliš nízko nastavené požadované teploty klimatizované místnosti nebo pro příznaky syndromu nemocných budov. Příklady z praxe ukazují, že navzdory mírnému kolísání teploty v místnosti je prostředí s úpravou teplotních podmínek velkoplošným sálavým systémem vnímáno jako příjemnější a akceptovatelnější. Úprava parametrů kvality vnitřního vzduchu může být u tohoto systému řešena poměrně malým větracím systémem zabezpečujícím hygienické parametry vnitřního vzduchu.
Foto a obrázky: archiv autora
Literatura
1. Babiak J.: Nízkoteplotné vykurovanie a vysokoteplotné chladenie s termoaktívnymi stropmi. In: TZB Haustech¬nik, 2005, č. 1, s. 24 – 26.
2. Deecke, H. – Guenther, M. – Olesen, B. W.: Betonker¬naktivierung. Velta Nordestedt, Německo, 2003.
3. Kolařík, J. – Babiak, J.: Použití tepelně aktivních prv¬ků stavební konstrukce k vytápění a chlazení kance¬lářských budov – díl II. In: Vytápění, větrání, instalace, 2006, č. 5.
4. Babiak, J. – Deecke, H.: Performance of the TAB-Sys¬tem Standard - Estimated by Means of a Measurement. In: Internal Project Report, Uponor GmbH Nordestedt, Německo.
5. Praxishandbuch der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Herausgeber - Uponor GmbH, Beuth Verlag GmbH, Berlin: Mercedes-Berlin, 2009.
6. Koschenz, M. – Lehmann, B.: Thermoaktive Bauteilsys¬teme TABS. EMPA Duebendorf, Švýcarsko, 2000.
Kdo jsme? Ve společnosti Uponor přemýšlíme o vodě pro budoucí generace. Naše nabídka, včetně bezpečné dodávky pitné vody, energeticky účinného sálavého vytápění nebo chlazení a spolehlivé infrastruktury, umožňuje udržitelnější životní prostředí.