Porovnanie spôsobov použitia sálavého vykurovania a chladenia pri obnove budov
Požiadavky na energetickou náročnosť, nízke inštalačné náklady, tepelnú pohodu môžu byť výhodne splnené prevádzkou s relatívne nízkou teplotou vykurovacej vody v zimnom období, resp. vysokou teplotou chladiacej vody v lete pri využití podlahových, stropných, či stenových odovzdávacích prvkov.
Abstrakt
Vykurovanie a chladenie budov je v súčasnosti dôležitou témou v odborných kruhoch, ako aj pre širokú verejnosť. Dôraz je najmä na energetickú náročnosť, inštalačné náklady a v neposlednom rade na tepelnú pohodu. Tento výskum sa zaoberá sálavými vykurovacími a chladiacimi systémami, využívajúcimi podlahové, stropné, či stenové odovzdávacie prvky. Ich hlavnou výhodou je skutočnosť, že na prevádzku postačuje relatívne nízka teplota vykurovacej vody v zimnom období, resp. vysoká teplota chladiacej vody v lete. Preto sú vhodné predovšetkým na aplikáciu vo vykurovacích a chladiacich systémoch využívajúcich obnoviteľné zdroje energie. Konkrétne, práca sa zameriava na systémy, ktoré sú vhodné na inštaláciu v existujúcich budovách a na prispôsobenie ich konštrukcie pre obnovu budov.
1. Úvod
Tepelnú pohodu v miestnostiach môžeme označiť za funkciu viacerých premenných, medzi ktoré patria objektívne faktory, a to teplota vzduchu v interiéri, rýchlosť prúdenia vzduchu, vlhkosť vzduchu, teplota konštrukcií a rovnako aj subjektívne faktory, ako metabolická aktivita a tepelný odpor oblečenia. Vo väčšine akademických štúdií boli porovnávané sálavá systémy s inými typmi systémov. Najčastejšie bolo porovnanie medzi jedným sálavým systémom a konvekčným systémom.
Systém sálavého vykurovania a chladenia sa v posledných rokoch začína uprednostňovať hlavne vzhľadom na jeho výhody. Jednou z výhod je schopnosť samoregulácie systému, pričom sa so zvyšujúcim rozdielom medzi povrchovou teplotou a teplotou vzduchu v miestnosti zvyšuje výkon. Rovnako medzi výhody patria aj malé distribučné straty a účinnosť výroby tepla. V režime chladenia relatívna vyššia teplota povrchu umožňuje vyššiu účinnosť zdroja [1]. Podľa štúdie [2], kvalita vnútorného prostredia môže byť zlepšená použitím sálavých systémov v kombinácií s núteným vetraním oproti použitiu len teplovzdušného systému.
2. Overenie prevádzky sálavých systémov (podlaha/stena/strop) vo vykurovacom/chladiacom období
V tejto časti sú vykonané experimentálne merania parametrov tepelnej pohody v pobytovej zóne pri troch typoch sálavých systémov. Meranie vybraných parametrov vnútorného prostredia prebiehalo v bývalých kancelárskych priestoroch dvojpodlažnej budovy na Technickej ulici 4309/3 v Bratislave. Priestory sa nachádzajú na 2. nadzemnom podlaží a orientované sú na severovýchod. Na posúdenie boli zvolené krátkodobé merania pomocou snímačov a ústredne od spoločnosti Testo vo vybraných referenčných bodoch počas vykurovacej sezóny a chladiacej sezóny, pri rovnakých okrajových podmienkach vo vybraných dňoch. Taktiež, za účelom sledovania okrajových podmienok, sa vykonali dlhodobé merania pomocou prenosných záznamníkov Comet.
3. Opis hodnotených priestorov a meracích prístrojov
Obr. 1 Situovanie objektu
Monitorované a hodnotené priestory sa nachádzajú v bývalých kanceláriách budovy situovanej v mestskej časti Trnávka na Technickej ulici v Bratislave (Obr. 1).
Z konštrukčného hľadiska je budova dvojpodlažná, riešená ako murovaná, bez kontaktného zatepľovacieho systému s fasádnou omietkou (Obr. 2). Otvorové konštrukcie sú z plastových viackomorových profilov zasklené izolačným dvojsklom v pravidelnom rastri (Obr. 2) s otváranými časťami okien. Dispozícia objektu pozostáva z kancelárskych priestorov umiestnených v pozdĺžnom smere budovy a oddelených chodbou. Riešené priestory sú situované na severovýchod a nachádzajú sa na 2. NP. Dispozične majú priestory približne rovnakú pôdorysnú plochu (Obr. 3). V každej z troch miestností sú inštalované sálavé systémy vykurovania – podlahové, stenové a stropné a účelom je posúdiť tepelnú pohodu v zimnom vykurovacom období.
Obr. 2 Objekt s riešenými priestormi (vľavo), pohľad na fasádu objektu (vpravo)
Obr. 3 Hodnotené miestnosti so sálavým systémom
Meranie sa vykonávalo prístrojmi od spoločnosti TESTO, ktoré sú určené na štandardné stanovenie úrovne pohody prostredia – PMV a PPD indexu, rovnako aj prievanu a stupňa.
Obr. 4 Pôdorys priestorov so sálavým vykurovaním
Meracie referenčné body MB1 až MB4 na Obr. 4 boli vybrané na charakteristiku pobytovej zóny, zároveň body MB1 a MB2 boli zvolené na opis podmienok v blízkosti okna. Každé meranie prebiehalo v 4 rôznych výškach podľa odporúčaní ASHRAE 55 [3] a ISO 7726 [4] (približne 0,1 m – výška členkov, 0,6 m – výška bedier sediacej osoby, 1,1 m – výška hlavy sediacej osoby a 1,7 m, výška hlavy stojacej osoby).
3.1 Výsledky meraní
Obr. 5 Závislosť vertikálnych teplotných profilov od ΔT vo výške 1,1 m a 0,1 m a vo výške 1,7 m a 0,1 m pre tri typy sálavých systémov
Podľa zaznamenanej teploty snímačmi na povrchu konštrukcií a snímačmi umiestnenými v strede miestností v referenčných výškach, ktoré dlhodobo zaznamenávali teplotu, sa vypočítal rozdiel priemernej povrchovej teploty a teploty vzduchu vo výške 0,6 m (ΔT), ako aj rozdiel teploty vzduchu vo výškach 1,1 m a 0,1 m a rozdiel teploty vzduchu vo výškach 1,7 m a 0,1 m. Podľa lineárnej závislosti z grafov na Obr. 5 bola zistená závislosť medzi ΔT a vertikálnym rozdielom teploty. Dôležité je zistenie, že so zvyšujúcim sa rozdielom teplôt ΔT sa zvyšuje teplotný gradient. Medzi jednotlivými systémami však badať viditeľné rozdiely (Obr. 5). Pri podlahovom systéme je tento rozdiel menší, najväčší rozdiel je pri stropnom systéme, kde sa gradient zvyšuje najviac. Uvedené závislosti sa vzťahujú na prípad, kedy v susedných miestnostiach bez sálavých systémov (okrem spoločnej chodby) je teplota veľmi blízka teplote v miestnostiach so sálavými systémami.
Z Obr. 6 vyplýva, že lineárna regresná priamka má najmiernejší sklon pri podlahovom vykurovaní. Taktiež koeficient determinácie R² = 0,3393 má najnižšie hodnoty pri podlahovom sálavom vykurovaní. Tieto dva ukazovatele naznačujú, že podlahové vykurovanie má najmenšiu závislosť vertikálneho rozdielu teploty od ΔT (rozdielu teploty steny a teploty vzduchu). Zároveň dosahuje najnižšie hodnoty vertikálneho rozdielu teploty, a tým zabezpečuje najhomogénnejšie tepelné prostredie. Stropné sálavé vykurovanie má strmšiu regresnú krivku, vyšší koeficient determinácie R² = 0,5418 a súčasne vyšší rozdiel vertikálnej teploty vzduchu. Preto sa stropné sálavé vykurovanie javí ako menej komfortné v porovnaní s podlahovým sálavým vykurovaním.
Obr. 6 Závislosť vertikálnych teplotných profilov od ΔT vo výške 1,1 m – 0,1 m a 1,7 m – 0,1 m pre chladiace systémy
4. Záver
Merania parametrov tepelnej pohody v pobytovej zóne v miestnostiach s tromi typmi sálavých systémov boli vykonané počas zimného obdobia. Vybrané parametre vnútorného prostredia boli zaznamenávané dlhodobými aj krátkodobými meraniami. Namerané hodnoty boli porovnávané v časoch, kedy sa vykonali krátkodobé merania. Vonkajšie teploty nedosahovali vonkajšiu výpočtovú teplotu pre Bratislavu (−11 °C), avšak budova, v ktorej sa hodnotené miestnosti nachádzajú, nie je zaizolovaná, čím sa vyššie vonkajšie teploty vykompenzovali. Požiadavka na vykurovanie bola nastavená zhodne pre všetky merané miestnosti 21 °C. Miestnosť s podlahovým vykurovacím systémom susedila s miestnosťou č. 201.1, ktorá nebola do 14. 2. 2023 vykurovaná ale jej priemerná teplota bola približne 16 °C. Tepelné straty do tejto miestnosti mali zanedbateľný vplyv na rozloženie teploty vzduchu v miestnosti s podlahovým vykurovacím systémom. Miestnosť so stenovým vykurovacím systémom susedila s miestnosťou č. 204, ktorá bola nevykurovaná do 14. 2. 2023. Priemerná teplota v tejto miestnosti bola pred začatím vykurovania približne 12 °C a mala vplyv na rozloženie teploty vzduchu v miestnosti so stenovým vykurovacím systémom. Miestnosť 202.2 so stropným sálavým systémom bola umiestnená medzi miestnosťou s podlahovým systémom a miestnosťou so stropným systémom. Z uskutočnených meraní vyplýva, že:
- Rýchlosť prúdenia vzduchu je pri sálavých systémoch nízka, neprekračuje stanovené limity a v miestnostiach nebolo riziko lokálnej tepelnej nepohody spôsobené prievanom.
- Najmenšie vertikálne rozdiely teploty vzduchu boli zaznamenané pri podlahovom vykurovaní.
- Stenový vykurovací systém musíme posudzovať v dvoch stavoch, pre nevykurovanú susediacu miestnosť č. 204 a pre vykurovanú miestnosť č. 204. Pre stav s vykurovanou miestnosťou č. 204 má lineárna regresná krivka mierny sklon a koeficient determinácie R² = 0,459. Tieto hodnoty sú na úrovni medzi stropným a podlahovým sálavým vykurovaním.
- Najmenší vertikálny rozdiel teploty vzduchu bol zaznamenaný pri podlahovom sálavom vykurovaní.
Poďakovanie
Tento výskum bol podporovaný Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APV - 21-0144 a Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0303/21 a 1/0304/21.
Literatúra
- OLESEN, Bjarne W., Angela SIMONE, Michal KRAJCÍIK, Francesco CAUSONE a Michele De CARLI. Experimental Study of Air Distribution and Ventilation Effectiveness in a Room with a Combination of Different Mechanical Ventilation and Heating/Cooling Systems. International Journal of Ventilation [online]. 2016, 9(4), 371-383 [cit. 2022-01-09]. ISSN 1473-3315. Dostupné z: https://doi.org/10.1080/14733315.2011.11683895
- FEUSTEL, Helmut E. a Corina STETIU. Hydronic radiant cooling — preliminary assessment. Energy and Buildings [online]. 1995, 22(3), 193-205 [cit. 2023-09-10]. ISSN 03787788. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/0378-7788(95)00922-K
- ASHRAE. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. ANSI/ ASHRAE: Standart 55, 2010
- STN EN ISO 7726. Ergonomics of the thermal environment. Instruments for measuring quantities. (ISO 7726: 1998). 2003.
Poznámka
Článok bol uverejnený aj v zborníku prednášok z 32. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie VYKUROVANIE 2024 na tému "Zelená dohoda a budúcnosť zásobovania teplom" pod záštitou Slovenskej spoločnosti pre techniku prostredia, Stavebnej fakulty STU Bratislava, katedry TZB a Slovenskej komory stavebných inžinierov ISBN 978-80-8284-023-3.
The requirements for energy efficiency, low installation costs, and thermal comfort can be advantageously met by operation with a relatively low heating water temperature in the winter, or high temperature of the cooling water in the summer when floor, ceiling or wall transfer elements are used.