Sálavé chladicí systémy (I)

1. ÚVOD

Možnou alternativou úpravy stavu prostředí pro vytvoření optimálního tepelného komfortu osob v administrativních budovách, společenských prostorech aj., bez vysokých nároků na distribuci vzduchu, je klimatizace prostorů sálavými chladicími systémy. Mezi nejrozšířenější systémy tohoto typu patří zejména chladicí stropy.

Citelná tepelná zátěž prostoru je odváděna velkoplošnými vodou chlazenými panely, které jsou instalovány většinou do podhledů místností, ale mohou být umístěny i přímo ve stropní konstrukci, nebo na stěnách. Objemový průtok vzduchu paralelně pracujícího vzduchotechnického zařízení pak může být redukován pouze na potřebnou, minimální dávku čerstvého vzduchu. Pokud chladicí výkon stropu nepostačuje pro odvod tepelné zátěže, doporučuje se doplnit chlazení do přiváděného větracího vzduchu, např. zaplavovacím systémem.

2. HISTORIE SYSTÉMU

Systém sálavých panelů není systémem novým i když původní systém známý jako Crittal, který se objevil poprvé v Anglii už v roce 1926, byl navržen pouze pro účely vytápění. Později v roce 1935 si obdobný systém nechal patentovat holanďan van Dooren. Systém je složen z potrubního systému meandrovitě vloženého do masivní stropní konstrukce. U nás bylo tímto systémem vybaveno poměrně velké množství budov postavených v 50. - 60. letech minulého století. Rekonstrukce takového typu budov je nyní aktuálním tématem a vzhledem k tomu, že prostor pro instalaci vzduchového systému je značně omezený, tak i možnost využití stávajícího systému pro chlazení může být určitým východiskem.

V dnešní době jsou potrubní rozvody stropních sálavých konstrukcí tvořeny převážně z plastu a většinou pouze omítnuty. Do popředí zájmu se však dostávají lehké konstrukce, které lze bez větších problémů umístit například do podhledů místností.

3. ZÁKLADNÍ TYPY CHLADICÍCH STROPŮ

Podle konstrukce je možné rozdělit chladicí stropy na masivní a lehké. Masivní chladicí stropy jsou tvořeny potrubním systémem vloženým do betonové stropní konstrukce (v zahraniční literatuře "slab cooling"). Lehké chladicí stropy bývají zavěšené pod betonovou deskou zpravidla v podhledu, nebo samostatně (v zahraniční literatuře "cooled ceiling").

Lehké chladicí stropy lze dále rozdělit na otevřené a uzavřené. Otevřené chladicí stropy (někdy nazýváme konvektivní) jsou charakteristické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu až ke stropu. U otevřených chladicích stropů převažuje konvektivní složka přenosu tepla mezi povrchem stropu a okolním vzduchem. Naopak uzavřené (sálavé) chladicí stropy pracují převážně se sálavou složkou tepelného toku. Z hlediska tepelného toku, by měly být uzavřené chladicí stropy na horní straně vždy izolovány. V některých případech může funkci tepelné izolace nahradit vzduchová mezera vzniklá mezi stropní betonovou deskou a chladicím prvkem.

Obrázek 1 - Schématické řezy základními konstrukcemi chladicích stropů

Na obrázku 1 jsou schématicky znázorněny řezy některými konstrukcemi chladicích stropů. Obrázek 1a znázorňuje masivní sálavý chladicí strop umístěný v betonové stropní konstrukci opatřený izolací na horní straně aktivní plochy.

Obrázek 1b znázorňuje tzv. modulační klima desku, umístěnou pod stropní konstrukcí. Desky, někdy nazývané jako rozlehlé sálající panely připomínají svou konstrukcí otopná tělesa. V některých aplikacích mohou být umístěny i na stěnách místností. Takováto konstrukce však není příliš rozšířená.

Na obrázku 1c je znázorněno jedno z nejčastějších řešení - chladicí panely umístěné v podhledové konstrukci opatřené na horní straně tepelnou izolací (nemusí být podmínkou). Panely podhledové konstrukce jsou zpravidla z ocelového (někdy perforovaného) pozinkovaného plechu s povrchovou úpravou a plní i estetickou úlohu. Podobným případem je provedení chladicího stropu ve formě lamel (obrázek 1d) upevněných na vodní potrubí, které je pevně fixované ke stropní desce.

Obrázek 1e znázorňuje chladicí strop v podobě protlačovaných profilů s vodními kanály a vlisovaným měděným potrubím v otevřeném provedení.

Posledním příkladem (obrázek 1f) jsou tzv. kapilární rohože, které mohou být umístěny jak pod omítkou (na stropě, nebo na bočních stěnách), tak v kazetách podhledové konstrukce. Rohože jsou tvořeny sítí tenkých plastových trubiček (vnější Ø cca 3,5 mm) do nichž je rozváděna chladicí voda.

4. SDÍLENÍ TEPLA V PROSTORU S CHLADICÍM STROPEM

V prostoru s chladicím stropem dochází k přenosu tepla konvekcí a sáláním. Vzduch se v prostoru pohybuje vlivem tepelné konvekce vznikající podél vnitřních zdrojů tepla (osoby, počítače aj.). Ohřátý vzduch stoupá vzhůru ke stropu, kde změní směr vlivem konvekce vznikající podél stropu a vrací se zpět do pásma pobytu osob (obrázek 2). Zmíněný mechanismus zajišťuje přirozenou cirkulaci vzduchu v místnosti. To platí za předpokladu pokud v místnosti není instalován nucený přívod vzduchu, nebo pokud přiváděný vzduch neovlivňuje proudové pole v místnosti, čehož bývá dosaženo v kombinaci se zdrojovým (zaplavovacím) větráním.

Druhým hlavním principem uplatňujícím se v prostoru s chladicím stropem je sálání. Přesné řešení sdílení tepla sáláním mezi jednotlivými povrchy v místnosti je poměrně složité a přenos tepla radiací v místnosti může být odlišný, než popisují teoretické rovnice. Projeví se zde zejména nerovnoměrnost rozložení povrchových teplot, nepravidelnost povrchu, různorodost sálavostí jednotlivých materiálů atd. Sdílení tepla v místnosti s chladicím stropem je patrné z obrázku 2.

Obrázek 2 - Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem

5. VÝHODY A NEVÝHODY SYSTÉMU

Jako každý systém, má i systém s chladicím stropem svoje výhody a nevýhody. Obecně je lze shrnout do následujících bodů.

Výhody:

• kvalita tepelného komfortu
• nízká spotřeba energie
• přívod minimálního množství čerstvého vzduchu
• menší nároky na rozvody vzduchu
• hlukové parametry
• odpadá nebezpečí vzniku průvanu
• "samoregulovatelnost" systému

Nevýhody:

• investiční náklady
• nebezpečí orosování
• nelze jimi odvádět teplo vázané ve vodní páře
• omezení výkonu

5.1. RIZIKO KONDENZACE A VÝKONY CHLADICÍCH STROPŮ

Riziko kondenzace je u sálavých chladicích systému jedním z hlavních omezujících faktorů. Teplota přívodní vody do chladicího stropu se volí tak, aby nedocházelo k orosování povrchu (povrchová teplota panelu musí být vyšší než teplota rosného bodu vzduchu proudícího kolem panelu - zpravidla o 1 K). U lehkých chladicích stropů lze kontrolovat povrchovou teplotu poměrně snadno. Rychlá odezva systému nedovolí, aby minimální povrchová teplota klesla pod teplotu rosného bodu. To u masivních chladicích stropů není prakticky možné vzhledem dlouhé době zpoždění. Často se tento problém řeší omezením teploty přívodní vody. V našich podmínkách (v místnostech bez dalších zdrojů vlhkosti) se teplota přívodní vody t_w1 volí ≥ 16 °C, maximálně 20°C. Teplotní rozdíl odváděné a přiváděné chladicí vody bývá v rozmezí 2 ≤ ΔT ≤ 4 K.

Chladicím stropem je možné odvádět pouze citelnou tepelnou zátěž. Podle konstrukce dosahují chladicí stropy maximálních výkonů kolem 80 W/m², ve výjimečných případech až 100 W/m² (vztaženo na m² plochy chladicího stropu). Teplo vázané ve vodní páře je nutné odvádět průtokem vzduchu paralelně pracujícího vzduchotechnického zařízení. Tento průtok může být redukován pouze na potřebnou, minimální dávku čerstvého vzduchu. Nejčastěji bývá systém s chladicím stropem kombinován se zdrojovým větráním.

Obecně lze tvrdit, že výkon otevřených chladicích stropů je asi o 10% vyšší, než u stropů uzavřených. Toto zvýšení je dáno výraznějším vznikem přirozeného proudu vzduchu v místnosti.