Kapilární rohože G-TERM - chlazení a vytápění inspirované přírodou
Článek seznamuje s novým systémem velkoplošného systému chlazení a vytápění kapilárními rohožemi. Po informacích o výhodách oproti klasickým systémům, základních vlastnostech rohoží a způsobech navrhování systému popisují autoři výpočtové vztahy a příklad výpočtu potrubní sítě systému.
Lidé se neustále, s větším či menším úspěchem, snaží inspirovat přírodou. Vědí, že příroda pracuje úsporně a efektivně, nedělá nic zbytečně. Příkladem promyšleného chování přírody může být rozvod tekutin v listech rostlin či pod kůží živočichů i lidí. Příroda k tomu využívá drobné vlásečnice, které rozvádějí teplo rovnoměrně, bez větších ztrát. Jsou proto ve srovnání s každým jiným způsobem mnohem úspornější a efektivnější. Této přednosti využívá i nejnovější technologie pro velkoplošnou klimatizaci a vytápění budov - kapilární rohože G-term.
1. Co jsou kapilární rohože
- systém jemné sítě plastových kapilár
- upevňují se do omítkové vrstvy stropu, stěny, na podhled a na podlahu
- lze je použít v jakémkoliv prostoru, od moderních kanceláří po památkově chráněné budovy
- hodí se pro budovy s nízkým stropem, ideální jsou také pro stropní klenby
- nejčastěji se používají pro stropní chlazení
- bezhlučné, hygienické, nevíří vzduch
- díky tomu, že jsou plastové, mají vysokou životnost
- nejnovější technologií klimatizace budov
2. Jaké jsou největší výhody systému kapilárních rohoží
 Obr. 1 |
 Obr. 2 |
Chladí a vytápí prostory mnohem rovnoměrněji než klasické stěnové chlazení a topení, především díky:
- desetkrát menší vzdálenosti mezi kapilárními rohožemi ve srovnání se stávajícími systémy,
- malému rozdílu teplot mezi přívodem teplonosné tekutiny a zpátečkou.
Velmi rychle reaguje na požadované změny teploty, především díky:
- jednou tak velké ploše kapilárních rohoží pro výměnu chladu a tepla oproti jiným systémům,
- nižším investičním nákladům.
Nižší provozní náklady, především díky:
- zcela rovnoměrnému průběhu teplot,
- systému zdroje tepla z tepelných čerpadel.
pro správce objektu je provoz zařízení hospodárný a bez nutnosti údržby,
pro projektanty a architekty je systém variabilní, neviditelný a univerzálně použitelný.
3. Způsoby použití
 Obr.3 - Podlahové vytápění |
 Obr.4 - Stěnové chlazení/vytápění |
 Obr.5 - Stropní chlazení/vytápění |
4. Technické parametry
Obr. 6
Kapilární rohože se instalují v šířce od 120 mm do 1200 mm. Jejich délka závisí na prostoru, dodávají se vždy na míru. Standardní rozměry se pohybují od 500 mm do 6000 mm. Jednotlivá sběrná potrubí rohoží se spojují polyfúzním svařováním (viz obr. 6).
4.1 Potrubní síť - chlazení a topení kapilárními rohožemi je uzavřený systém. Všechny komponenty sekundárního okruhu jsou z nekorodujícího materiálu, není se proto třeba obávat zanesení kaly v důsledku kyslíkové difúze. Topný okruh nesmí obsahovat žádné korodující prvky. Přípustné materiály jsou všechny umělé hmoty, mosaz a nerez. Měď je přípustná podmíněně. Při přechodu z měděného potrubí na umělou hmotu se používají mosazné přechody, které zamezí elektrochemickému potenciálu napětí. Když není možnost vyhnout se korodujícím materiálům, musí se systém oddělit výměníkem.
Pokud je systém topení či chlazení rozdělen do několika okruhů, dá se každý regulovat samostatně regulátorem průtoku. Na rozdělovači pak může být každý okruh zvlášť regulován ventilem s termickým servopohonem, který reaguje na prostorovou teplotu a rosný bod.
V praxi se osvědčilo provozovat okruhy o ploše rohoží 10 až 15 m2 z etážových rozdělovačů průtokem asi 40 kg/(h m2). Má také smysl rozdělit plochu stropů podle modulu budovy na okruhy/zóny, které lze při potřebě rozdělení místností jednoduše oddělit. Při novém rozdělení místností je tak bez problémů možná prostorová regulace teploty.
Potrubní síť kapilárních rohoží se dimenzuje podle obecných technických pravidel. Popisujeme ji proto jen obecně: Otázka, zda přívod studené vody vést ke každé místnosti přes centrální rozdělovač nebo přes etážové rozdělovače, závisí na mnoha faktorech jako jsou např. velikost celkové ochlazované plochy, orientace budovy, hydraulické důvody, servisní komfort, spolehlivost systému atd. Lze doporučit spíše rozdělování přes etážové stanice, která zajistí vyšší komfort a snadnější obsluhu. Regulace zařízení z jednoho centrálního místa je rovněž možná. Stále je tím zachována možnost odpojit jednotlivé zóny v případech havárie.
Dimenze trubek se počítají s ohledem na dopravovaná množství a přípustné průtokové rychlosti. V domovní technice se vychází obecně pro zamezení rušivých hluků z maximální přípustné rychlosti proudění 1,5 m/s. Je třeba také věnovat pozornost rychlosti v odbočkách, aby se zamezilo nedostatečnému zatékání do odbočky. Mohlo by dojít k odříznutí proudění.
4.2 Expanzní nádoba - plní v zařízení tyto funkce:
- absorbuje vodu, která v systému přebývá po zahřátí,
- slouží jako zásobník vody, která se v případě potřeby znovu vrací do systému, např. při vychladnutí,
- zachovává minimální přetlak v systému (zachování tlaku).
Pro dimenzování expanzní nádoby musí být uvažován celkový plnicí objem zařízení. Její velikost se stanoví následujícími vzorci
| Ve = (VA . n) / 100 | (1) |
kde
Ve - expanzní objem,
VA - objem vody v zařízení,
n - koeficient expanze pro vodu v % - pro 18°C = 0,15
| VV = 0,005 . VA | (2) |
kde
VV - objemová rezerva
| pe = pSV - dpa | (3) |
kde
pe - konečný tlak na uzávěrech
pSV - jmenovitý tlak pojistného ventilu zpravidla 300 kPa
dpa - pracovní tlaková diference pojistného ventilu - obvykle = 500 kPa
| Vn min = (Ve + VV) (pe + 1) / (pe - pO) | (4) |
kde
Vn - jmenovitý objem vyrovnávací nádoby
pO - přetlak v nestlačeném stavu obvykle max. 100 kPa
| pa min = [VH . (pO + 1)] / (VH - VV) - 1 | (5) |
kde
pa - počáteční tlak/plnicí tlak
VH - celkový objem/obchodní velikost
4.3 Chladicí a vytápěcí výkony - závisí na rozdílu teplot mezi náběhovou a vratnou vodou, na teplotě náběhové vody, požadované teplotě prostoru, průtoku a volené podlahové krytině (viz obr. 7).
Obr.7 - Topný výkon kapilárních rohoží pro podlahové topení
Obr.8 - Chladící výkon rozdílných kapilárních rohoží
Obr.9 - Chladící výkon kapilárních rohoží v omítnutém stropě
| Druh omítky | Součinitel tepelné vodivosti omítky [W/m.K] |
Tloušťka omítky na rohoži |
Označení |
|---|---|---|---|
| sádrová | 0,45 | 5 | R21 |
| sádrová | 0,45 | 10 | R32 |
| sádrová | 0,45 | 15 | R41 |
| sádrová | 0,45 | 20 | R70 |
| sádrová | 0,35 | 5 | R24 |
| sádrová | 0,35 | 10 | R38 |
| sádrová | 0,35 | 15 | R52 |
| sádrová | 0,35 | 20 | R90 |
| vápenná | 0,87 | 5 | R12 |
| vápenná | 0,87 | 10 | R18 |
| vápenná | 0,87 | 15 | R23 |
| vápenná | 0,87 | 20 | R38 |
| cementová | 1,50 | 5 | R10 |
| cementová | 1,50 | 10 | R13 |
| cementová | 1,50 | 15 | R15 |
| cementová | 1,50 | 20 | R24 |
| akustická | 0,12 | 2 | R39 |
| akustická | 0,12 | 4 | R55 |
| akustická | 0,12 | 6 | R72 |
Tab. 2
Kapilární rohože se používají především pro stropní chlazení. Proto zde uvádíme pouze výpočet chladicího výkonu pro stropní chlazení, který můžete vypočítat za použití výpočtové tabulky 1. Standardní instalace stropních chlazení se řídí normovanými chladicími výkony, měřenými podle DIN 4715. Odpovídající výkony mohou být odečteny z obr. 8 a 9 anebo s použitím normovaných veličin spočítány podle následujících vzorců
Qn [W/m2] = C . TUnkde
TU - teplotní diference mezi prostorovou teplotou a průměrnou teplotou chladicí vody
C - konstanta
n - exponent
Vzhledem k tomu, že normovaný výkon pochází z podmínek zkušebního zařízení, měly by se do konkrétního projektu promítnout prostorové údaje a zátěžová situace, ale také vliv větrání. K tomu je vytvořena korigující prostorová konstanta KR.
4.4 Tlakové ztráty. Pokud již znáte rozměry rohoží, potrubí, armatur a ostatních součásti hydraulické sítě, je nutné vypočítat celkové tlakové ztráty potrubní sítě. Tlakové ztráty otopných a chladicích rohoží mohou být odečteny z diagramů v závislosti na množství rohoží, typu a měrném množství vody.
Pro komfort a požadovaný výkon stropního chlazení je rozhodující, aby do každého prostoru resp. zóny přitékalo odpovídající množství vody. Je proto nezbytné nastavit průměry potrubí s ohledem na protékající množství vody. Je také nutné počítat s tlakovými ztrátami v potrubí, ventilech, výměníku a rohožích.
V závislosti na rozdílu teplot mezi vstupem vody a výstupem v primárním a v sekundárním okruhu je třeba uvažovat tlakové ztráty výměníku uváděné výrobcem. Někdy se ale musí speciálně vypočítat. Na primární straně se počítá s běžným rozpětím teploty studené vody 6 °C/12 °C, na sekundární s 16 °C/18 °C. Obvykle se uvažuje pro výměník v primárním a v sekundárním okruhu tlaková ztráta 20 kPa. Součet tlakových ztrát v potrubní síti a ve výměníku dává celkovou tlakovou ztrátu zařízení. Výměník se vybírá tak, aby vyvažoval výkon možného čerpadla s uvážením bezpečnostního koeficientu pro celkové tlakové ztráty zařízení.
Výkony čerpadel musí být dimenzovány s uvážením celkového množství vody a výtlačné výšky k vyrovnání tlakových ztrát a zachování proudění. Čerpané množství má odpovídat s rezervou celkovému množství vody. Pro výběr čerpadla se používají technické charakteristiky výrobců.
Hydraulické dimenzování potrubní sítě a výpočet celkových tlakových ztrát zařízení se neliší od známých technických pravidel. Při výpočtech celkových tlakových ztrát je potřeba zahrnout dílčí ztráty v jednotlivých úsecích a fitinkách nejdelšího přívodu k etážové stanici s ohledem na průtoková množství a připočíst ztráty rohoží dané zóny.
Tlakové ztráty stanice se určují přibližně podle výměníku a regulačních ventilů.
Tlakové ztráty topných a chladicích rohoží se odečítají z diagramů.
Tlaková ztráta pro trubku se počítá podle vzorce:
kde
λ - součinitel tlakové ztráty třením
L - délka trubky [m]
ρ - hustota [kg/m3]
a
w [m/s] = 21,22 . m/di2kde
m - množství vody [l/min]
di - vnitřní průměr trubky [mm]
Pro určování tlakových ztrát fitinků je používán vztah:
ΔpF [Pa] = ξ . w2 . ρ/2kde
ξ - součinitel odporu. Součinitele odporu pro jednotlivé dílce bereme z příruček anebo ze sbírek vzorců
Tlakové ztráty ventilů anebo regulátorů průtoku se počítají podle vzorce:
ΔpV [Pa] = (ma/kvs)2 10-1kde
ma - příslušný průtok [kg/h]
kvs - hodnota podle údajů výrobce [m3/h]
Spojitost mezi jednotlivými tlakovými ztrátami zvýrazňuje následující schéma pro nejdelší úsek k poslední rohoži.
Obr. 10
Příklad:
Obr. 11 - Příklad grafu tlakových ztrát nejpoužívanějších kapilárních rohoží
| Pozice | Součást | Počet/délka | Průtok [l/min] | Tlaková ztráta [Pa] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Kapilární rohož | 4300 mm | (2,90) | 17 000,00 |
| 2 | Dílčí úsek (trubka 20x 2) | 2 x 1200 mm | 2,90 | 174,48 |
| 3 | Koleno 90° | 2 kusy | 2,90 | 28,95 |
| 4 | T kus | 2 kusy | 2,90 | 86,84 |
| 5 | Dílčí úsek 2 | 2 x 10 000 mm | 5,76 | 586,87 |
| 6 | Koleno 90° | 6 kusů | 5,76 | 423,06 |
| 7 | Průtokový regulátor Kvs - 1,5 | 1 kus | 5,76 | 5308,42 |
| 8 | Regulační ventil Kvs - 1,8 | 1 kus | 5,76 | 3686,40 |
| Celková tlaková ztráta nejdelšího úseku | 27 295,02 = 27,3 kPa |
|||
Tab. 2 - Uvažované dílčí tlakové ztráty až ke stanici rozdělovače
4.5 Regulace topných a chladicích systémů. Součástí regulace pro chladicí stropy musí být určování prostorové teploty a vlhkosti. Náklady na regulační techniku mohou být relativně nízké. Při správném nastavení chladicího stropu se jen velmi zřídka vyskytují kritické poměry, při nichž musí zasahovat regulace pro zachování spolehlivosti. Vytápěcí a chladicí stropy se totiž vyznačují tzv. "samoregulačním efektem". Výkon stropu je přitom větší, čím větší je zátěž. Konečné hodnoty dosahuje, pokud se dostane k zadanému rozdílu mezi náběhovou a vratnou teplotou s tím, že množství proudící vody bylo předem nastaveno.
Prostorová teplota je za normálních podmínek řízena regulátorem. Pokud se dostane pod nastavenou mez, regulační ventil upraví přítok studené vody do uvažované zóny. Ventil je ovládán termálním servopohonem. Prostorový regulátor se instaluje 1,5 m nad podlahu do místa, které není přímo ozařováno sluncem.
Pro zabránění kondenzace na stavebních částech a v nich, je nutno počítat s náběhovou teplotou vyšší než je rosný bod prostoru (zpravidla stačí 16 °C). Tím je v našich zeměpisných šířkách dána dostatečná jistota, že se nebude srážet vzdušná vlhkost z venkovního vzduchu. Navíc ke zvýšení jistoty je vhodné čidlo vlhkosti umístit v nejchladnějším místě prostoru (podle zkušeností je to v rohu nejvzdálenějším od oken). Toto čidlo dává při nebezpečí orosení signál konvertoru nebo vytápěcí jednotce, která potom zapne servopohon zpátečky příslušného okruhu. Zařízení je tím krátkodobě vypojeno. Vzhledem k tepelné setrvačnosti ochlazených ploch se ještě po nějakou dobu zachovává potřebná teplota a toto vypnutí je pro uživatele nepozorovatelné.
U prostorů, kde je nutno počítat s vyšší prostorovou vlhkostí z jiných než klimatických podmínek, nebo kde existují jiné klimatické poměry, může být přiváděn vzduch, který je odvlhčen v přívodní vzduchotechnické jednotce. Vhodný způsob přívodu vzduchu do prostoru je zdrojovým větráním. Množství vzduchu se v těchto případech řídí množstvím odváděné vlhkosti. Pro zachování pohody prostředí je třeba zvolit vhodnou teplotu a rychlost přiváděného vzduchu.
Jiný způsob, jak provozovat chladicí systém optimálně z hlediska rosného bodu při zvolené náběhové teplotě, je klouzavá regulace náběhové teploty. Vycházíme z konstantního objemu chladicí vody a regulátor vypočítává z měřené prostorové vlhkosti a zadané teploty prostoru odpovídající teplotu rosného bodu. Poté regulátor porovnává vypočtené hodnoty s náběhovou teplotou a stanovuje tak pokles nebo růst teploty přiváděné vody. Aby při tomto uspořádání nebyla narušována pohoda, je třeba počítat s temperovaným zdrojovým větráním prostoru.
Obr. 12
4.6 Požadavky na kvalitu vody. Zařízení jsou plněna vodou z vodovodu, odpovídající kvalitě pitné vody. Tuto vodu není třeba dále upravovat. Není žádoucí obohacení inhibitory. Přípustné jsou prostředky výslovně určené pro polypropylen a pro další materiály systému (DIN 8078 - Chemická odolnost potrubí a jeho částí z polypropylenu). Smysl má filtrování plnicí vody (filtr 20 až 40 μm) během plnění systému.
Ucpávání vysráženým vápnitým materiálem u systému kapilárních rohoží není možné, neboť systém pracuje v uzavřeném okruhu. Když je systém jednou naplněn, neukládá se nový vápenec, jako je tomu u vodovodních sítí s pitnou vodou. Teploty studené vody systémů jsou navíc tak nízké (16 až 19 °C), že se minerály rozpuštěné ve vodě nevysrážejí. Konvenční vodovodní systémy mohou být ucpávány rezovým kalem, když kyslík rozpuštěný ve vodě přichází do styku s korodujícími materiály. V systému je tvorba kalů vyloučena, neboť všechny součásti vodního okruhu jsou z plastu, nerezu nebo mosazi. Voda v zařízeních zůstává i po letech obohacena kyslíkem a čirá.
Poznámka:
Průtok v rohoži je uveden v diagramech v kg/(h m2). Ztráta v jednotlivých úsecích potrubí pro přívod a pro zpátečku v předmětném úseku jsou pro zjednodušení uvažovány jako poloviční úsek s dvojnásobnou délkou.
Systémy vytápění a chlazení s tepelnými čerpadly Waterkotte - tepelná čerpadla voda/voda, země/voda a vzduch/voda. Aplikace od rodinných domů až po profesionální řešení velkých výkonů v průmyslových objektech, administrativních budovách, hotelích, školách, ...