Velkoplošné sálavé vytápění a chlazení s tepelnou aktivací betonového stropu
Teoretické a praktické informace k návrhu a použití tepelné aktivace betonového jádra stropů jako velkoplošného vytápění a chlazení. Komplexní informace pro základ řešení problematiky instalace, navrhování a řízení.
V článku jsou obsaženy teoretické a praktické informace k použití tepelné aktivace betonového jádra stropů v České republice. Čtenář získá komplexní informace pro základ řešení problematiky instalace, navrhování a řízení takové soustavy.
Úvod
Systém aktivace betonového jádra (používané zkratky TABS z anglického Thermally Activated Building Systems nebo BKT z německého Betonkerntemperierung) využívá jak tepelné akumulační schopnosti betonové konstrukce budovy k časovému posunu mezi příjmem a výdejem tepelné energie z konstrukce, tak předávání nebo odnímání tepelné energie pro vytápění nebo chlazení interiéru.
Historie
Historicky se tento způsob vytápění začal používat ve 30. letech 20. století, kdy bylo do betonové konstrukce stropu vkládáno ocelové potrubí, které sloužilo k tepelné aktivaci betonových stavebních konstrukcí. Na našem území byl tento způsob vytápění nejvíce rozšířen ve formě stropního vytápění pod názvem Crittall, přičemž existuje celá řada objektů, kde je tento způsob vytápění stále provozován.
Nevýhodou systému Crittal byla zejména instalace vyžadující mnohem více montážního času než jiné tehdy používané systémy a malý výkon vytápění a chlazení s ohledem na požadavky vyplývající z tehdejších konstrukcí budov a jejich na dnešní dobu špatných tepelně-technických parametrů. Vzhledem k velkému množství spojů ocelového potrubí v betonové konstrukci docházelo k netěsnostem ve svařovaných spojích a při použití systému při chlazení s nedostatečnou regulací teplot chladicí vody docházelo často ke kondenzaci vodních par na stropní konstrukci. [1]
Současnost
Vzhledem k výše popsaným konstrukčním a instalačním problémům bylo od tohoto systému vytápění a chlazení postupně upuštěno. K jeho výraznému rozvoji začalo znovu docházet až s nástupem výroby plastového potrubí PE-Xa koncem 20. století. Trend využití systému TABS je v současnosti na vzestupu. Nejvíce využíván v Německu, Rakousku, Švýcarsku a zemích Beneluxu, kde se ročně realizuje kolem 200 objektů velkých objektů. A příklady přibývají i v České republice.
Konstrukce
Systémem TABS lze aktivovat jakoukoli část konstrukce budovy. Vzhledem k současnému trendu výstavby budov, kdy betonové jsou pouze nosné sloupy a stropní konstrukce, je pro aktivaci k dispozici zejména strop. Aby TABS mohl spolehlivě fungovat, musí betonová část stropu zůstat nezakryta, aby mohla probíhat výměna tepla mezi stropem a místností. Proto není možné v budovách s tímto systémem instalovat celoplošné podhledy. V souvislosti s tímto omezením je potřeba všechny další instalace provádět buď v rámci betonové desky, přiznaně na povrchu, nebo pro jejich uložení použít systém zdvojené podlahy.
Systém TABS je možné instalovat dvěma způsoby, buď ve středu betonové desky, kdy aktivujeme celou stropní desku, nebo pod spodní výztuž. Při instalaci pod spodní výztuž se snižuje aktivní využití akumulační schopnosti betonové desky, ale výkon předávání – odnímání tepelné energie je při tomto způsobu uložení téměř dvojnásobný (více o výkonech v další části článku) a regulační schopnost stropu je výrazně rychlejší.
Obě varianty uložení jsou na obrázku 1. Pro systém uložení pod spodní výztuž byl vyvinut speciální systém, který využívá plastových rohoží a umožňuje přesné a pravidelné uložení vč. řešení s pohledovými betony.
![Obr. 1 Uložení potrubí na střed desky je vlevo, uložení pod spodní výztuž je na vpravo. [2]](/docu/clanky/0193/019325o1.png)
Obr. 1 Uložení potrubí na střed desky je vlevo, uložení pod spodní výztuž je na vpravo. [2]
Dobu instalace zkracuje prefabrikace
Instalace systému může poměrně výrazně prodloužit dobu výstavby. Proto se velmi často používá prefabrikace. V takovém případě se obvykle na stavbu přivezou kari sítě s již ukotveným potrubím, rozloží se podle projektu a potrubí se propojí fitinkami. Pokročilejší variantou prefabrikace je použití hotových částí betonových konstrukcí stropu, do kterých bylo při jejich výrobě potrubí instalováno. Tyto betonové prefabrikáty se na stavbě pouze osadí na místo a připojí se na páteřní potrubí.
Hlavní výhody systému
Bezesporu největší výhodou celého systému je jeho životnost, která se promítne i do celkové kalkulace investičních a provozních nákladů. Vzhledem k tomu, že se jedná o plastové potrubí umístěné přímo v betonové konstrukci, tak tabulková životnost systému je 50 let, avšak v reálném provozu je životnost výrazně delší. Životnost plastového potrubí je závislá na jeho teplotním a tlakovém namáhání, s čímž souvisí další zásadní výhoda.
Z hlediska investičního porovnání v případě použití pohledových betonů je další nespornou výhodou, že samotná konstrukce stropu již nepotřebuje další stavební úpravy, jako je omítka nebo podhled.
![Obr. 2 Levý graf zobrazuje potřebu chladicího výkonu rozloženou v průběhu jednoho dne a na pravém grafu je zobrazeno, v jakém čase je nutné zásobovat instalované systémy energií pro chlazení. Vyznačené rozmezí 4 ukazuje možnou úsporu výkonu zdroje chladu při využití akumulace energie v systému TABS. [3]](/docu/clanky/0193/019325o3.png)
Obr. 2 Levý graf zobrazuje potřebu chladicího výkonu rozloženou v průběhu jednoho dne a na pravém grafu je zobrazeno, v jakém čase je nutné zásobovat instalované systémy energií pro chlazení. Vyznačené rozmezí 4 ukazuje možnou úsporu výkonu zdroje chladu při využití akumulace energie v systému TABS. [3]
Systém TABS využívá vysokoteplotního chlazení, resp. nízkoteplotního vytápění s převážně sálavým způsobem sdílení tepelné energie, což má hned dvě výhody.
- Za prvé je tento způsob předávání tepla pozitivně vnímán lidským organismem a zajišťuje tak tepelnou pohodu při příznivějších teplotách interiéru.
- Za druhé lze využívat nízkoteplotní zdroje tepla nebo vysokoteplotní zdroje chladu, s velice dobrou účinností. Tedy s vysokým topným nebo chladicím faktorem, v případě použití tepelných čerpadel a chladicích strojů.
Poměrně zásadní může být rovněž úspora při pořizování zdroje chladu. V okamžiku zátěžových špiček totiž může být tok odnímání tepelné energie z místností do betonové konstrukce stejný i v případě, kdy není přebytečná tepelná energie odváděna strojním chladicím zařízením. V praxi tak může být v dobách špičkové tepelné zátěže tok energie mezi zdrojem a místností přesměrován do druhotných chladicích systémů (vzduchotechnika, faincoily aj.), a přesto bude mít strop stále stejný chladicí výkon. Na obrázku 2 je vidět, že v ideálním případě může být ušetřeno až 50 % výkonu zdroje tepla. Lze tedy výrazně snížit potřebný výkon chladicích zařízení, a tedy i snížit výši investice.
Návrh
Systém TABS se navrhuje pro potřeby vytápění i chlazení. Proto je zapotřebí na počátku návrhu udělat výpočet tepelných ztrát a zátěží. Vzhledem ke kvalitě dnešních obálek budov z hlediska tepelně technických vlastností při vyhodnocení tepelných ztrát a zátěží zjistíme, že výrazně vyšší hodnoty budeme potřebovat pro pokrytí systémem chlazení. Konstrukčně se tedy systém navrhuje na potřeby chlazení a pro systém vytápění se určí tepelný spád, ve kterém bude TABS pracovat.
Zejména u kancelářských budov, které jsou v pracovní době plné lidí a technologií produkujících velké množství tepla, není výjimkou, že je nutné chladit i při mínusových venkovních teplotách.
Při návrhu systému je nutné hlídat dvě základní věci, a sice teplotu přiváděné chladicí vody a typ proudění v potrubí systému TABS.
Ideálním řešením při návrhu budovy se systémem TABS je vytvoření 3D modelu pro dynamickou simulaci teploty. S využitím akumulace tepla a jeho postupného uvolňování není zajištěna konstantní teplota v průběhu celého dne, ale interiérová teplota kopíruje křivku venkovních teplot.
Na obrázku 3 je zobrazen průběh operativní teploty a teploty vzduchu v místnosti. Systém využívá předchlazení interiéru v nočních hodinách na minimální teplotu 21 °C, před ranním osluněním do cca 6. hodiny ranní. Následně teplota stoupá, až v průběhu dne dosáhne hodnoty 26 °C. V tomto konkrétním případě je TABS jediným uplatněným systémem pro chlazení, venkovní vzduch je jen upravován na interiérové hodnoty.
Rozdíl teplot je dán tím, že celkový výkon instalovaného systému je 70 kW, ale špičková tepelná zátěž vypočtena podle ČSN 730548 je 141 kW. Z těchto hodnot je patrné, že k systému TABS je zapotřebí přistupovat jiným způsobem, než ke klasickým systémům, které pokrývají obvykle zátěže plně v daném okamžiku.
Obr. 3 Průběh teplot v místnosti během dne. Na ose x je časová osa pro nejhorší den v roce, osa y zobrazuje rozsah teplot.
Návrhové teploty
Při návrhu správné teploty teplonosné látky (chladicí vody) je nutné zabránit kondenzaci vodních par na stropní desce. Teplota přívodní vody je proto obvykle navrhována na 16 °C a návrhový teplotní spád soustavy je 16/19 °C. Skladba konstrukce stropu je v každé budově individuální, proto je ve výsledku nejjednodušší udělat vždy pro konkrétní budovu alespoň statickou simulaci teplot a výkonu stropní desky.
Pro statickou simulaci je uvažována střední teplota vody v betonové desce 17,5 °C a teplota interiéru pro chlazení je obvykle 26 °C. Při instalaci na střed desky je za těchto podmínek obvykle počítáno s výkonem 40 W/m2, při instalaci pod spodní výztuž s výkonem obvykle 70 W/m2. Ze statické simulace je výsledkem výkon systému na 1 m2 a povrchová teplota stropu. S povrchovou teplotou je nutné dále pracovat při návrhu větrání a systému měření a regulace.
Pro systém vytápění je obvyklý teplotní spád při instalaci na střed desky 30/26 °C (obvykle 25 W/m2) a při instalaci pod spodní výztuž 36/32 °C (obvykle 70 W/m2).
U větších budov není výjimkou současná potřeba tepla a chladu, ale pro různé části objektu. Pro zajištění toků tepelné energie je obvykle instalován čtyřtrubkový systém páteřních rozvodů. Nejjednodušší distribuce do jednotlivých celků budovy je dále zajišťována šesticestnými ventily.
V případech, kdy budou do budovy instalována otevíratelná okna, je při extrémních klimatických podmínkách a otevřených oknech možné, že se objeví riziko kondenzace vzdušné vlhkosti na stropních chlazených konstrukcích. Tento jev nastává obvykle při extrémně vysokých teplotách před příchodem bouřkové fronty, kdy skokově výrazně naroste relativní vlhkost vzduchu a teplota vzduchu je stále velmi vysoká. Protože má stropní konstrukce systému TABS velkou setrvačnost a rychlé extrémní výkyvy počasí jsou nepředvídatelné, je vhodné, aby byly vzduchotechnickou jednotkou vhodně upraveny parametry (snížena relativní vlhkost) přiváděného vzduchu.
Typ proudění
Při teplotách pod 30 °C se výrazně mění vazkost (viskozita) proudící teplonosné kapaliny, která má vliv na typ proudění v potrubí. Typ proudění má vliv na schopnosti přestupu tepla, tlakové ztráty a teplotní spád. Z hlediska přestupu tepla a maximalizace výkonu je ideální mít průtok v potrubí na úrovni turbulentního proudění. Při použití velmi malých průměrů potrubí je z hlediska tlakových ztrát nevhodné se slepě držet plně vyvinutého turbulentního proudění, protože by bylo potřeba rozdělit soustavu na velké množství okruhů, aby nebyly tlakové ztráty příliš vysoké. Důležité je tedy především se vyvarovat laminární oblasti proudění. Přehled průtoků a tlakových ztrát pro jednotlivé dimenze potrubí jsou uvedeny v tabulce 1.
| Rozměr potrubí | Laminární | Přechodové | Turbulentní | ||
|---|---|---|---|---|---|
| [mm] | [l/h] | [Pa] | [l/h] | [l/h] | [Pa] |
| 9,9 × 1,1 | 55 | 196 | 56 až 84 | 85 | 692 |
| 14,0 × 2,0 | 72 | 94 | 73 až 109 | 110 | 314 |
| 16,0 × 2,0 | 85 | 51 | 86 až 131 | 132 | 182 |
| 20,0 × 2,0 | 115 | 22 | 116 až 84 | 176 | 77 |
| 25,0 × 2,3 | 147 | 11 | 148 až 225 | 225 | 37 |
U systému instalovaného na střed desky se používá potrubí 20 × 2,0 mm obvykle v rozteči 150 mm. Vzhledem k obvyklé celkové tloušťce betonové desky je povrchová teplota velice vyrovnaná. Při instalaci pod spodní výztuž není k dispozici roznášecí vrstva, proto se potrubí klade blíže k sobě. Při použití speciálních rohoží je rozteč dána jednoznačně na 85 mm a použité potrubí má dimenzi 14 mm.
Regulace
Protože TABS při instalaci na střed desky reaguje s regulační odezvou řádově kolem 24 hodin, je pro regulování systému TABS nezbytná prediktivní regulace na základě předpovědi počasí. Druhou nutnou podmínkou je mít správný dynamický model chování budovy. Při vytvoření matematického modelu v kombinaci s prediktivní regulací můžeme volit, podle čeho chceme systém řídit. Například zajištění komfortu, cena primární energie v průběhu dne, orientace jednotlivých částí budovy a mnoho dalších. U každého z řízených parametrů je možné nastavit jeho váhu na celý systém tak, aby bylo řízení komfortní a zároveň ekonomické.
Akustika
Při použití systému TABS je nutné betonové stropy nezakrývat, což má za následek zhoršené akustické vlastnosti. Při návrhu interiéru je tedy nutné dbát zvýšené pozornosti rozvržení prostoru a použitému nábytku. Možným řešením je použití lokálních ostrovních panelů, což může být dvakrát výhodné v exponovaných prostorech, jako jsou rohové kanceláře a zasedací místnosti. Lze využít i svisle zavěšené hluk tlumící akustické panely, které vizuálně příznivě člení velké prostory, přitom neomezují sálavý tok tepelné energie ze stropů nebo do nich.
Závěr
Aplikací systému TABS je možné za poměrně nízkou pořizovací cenu získat vysoký stupeň komfortu. Nejběžnější použití v České republice je pro kancelářské budovy, kde je přesná regulace teploty zajištěna druhým systémem, obvykle vzduchotechnikou. Systém TABS zajišťuje zásobování teplem, resp. chladem, z hlediska vnímání lidského těla v příjemné formě, a udržuje tak v prostoru vysokou tepelnou pohodu pro pracovní prostředí.
Veřejně jsou prezentovány případy uplatnění TABS zejména ve větších objektech, administrativních budovách. Poněkud stranou pozornosti je zatím narůstající trend využití TABS v rodinných domech. Jde o jednodušší variantu (instalace potrubí na spodní výztuž), která zajistí ochlazení prostoru (bez přesných požadavků, zcela nebo alespoň částečně) za velmi malé investiční náklady. V této variantě je oproti samotné hrubé stavbě domu zapotřebí navíc pouze potrubí a uživatel si za minimum finančních prostředků významně zpříjemní prostředí v obytném prostoru.
Zdroje
- BABIAK, Jan, Bjaren W. OLESEN a Dušan PETRÁŠ. Low temperature heating and high temperature cooling. Finsko: Forssan Kirjapaino Oy, 2007. ISBN 2-9600468-6-2.
- Uponor Brand Portal [online]. [cit. 2019-01-10]. Dostupné z:
https://brandportal.uponor.com/login/redirectToken/A56FD78B-5F59-4E0D-90770A736DCDD3C9/ - Babiak J. Basics of TABS International Engineering and Competence Development. Presentation presented at [Prague meeting; 2015 June 6; Praha; Czech republic]
The article describes theoretical and practical information about using thermal activation of concrete core ceilings in the Czech Republic. The reader will get comprehensive information for solving the problems of installing, designing and managing such a system.