Sálavé tepelné soustavy pro pasivní budovy

Vytápění

1. Vplyv sálavých tepelných soustav na energetickou náročnost budov

Budovy odpovídají za 40% celkové spotřeby energie v EU. Tento sektor narůstá, což je spojeno se zvyšováním jeho spotřeby. Snížení spotřeby primární energie a využívání obnovitelných zdrojů v sektoru budov proto představují důležité opatření na snížení energetické závislosti Unie a emisí skleníkových plynů.Cílem v oblasti výstavby a významné rekonstrukce budov je stavět budovy téměř s nulovou spotřebou energie-pasivní budovy. Povinna výstavba pasivních budov je určena od roku 2020.

1.1.Pasívne budovy z pohledu architektury

Fotografie pasivních budov s výraznými stínícími prvky-Vídeň

Z pohledu architektury se zachovává koncepce výstavby budov stejná, jaká byla v předchozím období. Změny nastávají ve snížení součinitele prostupu tepla U použitých materiálů, velikosti prosklení a orientaci těchto ploch s cílem získat během zimního období co nejvíce exteriérových tepelných zisků. Pro letní období jsou budovy vybaveny vnějšími stínícími prvky na snížení solárních tepelných zisků.

1.2.Pasívne budovy z pohledu energetiky

V pasivních objektech tepelné zdroje a tepelná soustava pokrývají spotřebu tepla pro vytápění pouze v objemu do 20%. Rozhodující podíl spotřeby tepla objektu pokrývají tepelné zisky v objemu až 80%.Tepelné zisky mohou být externí-hlavně solární zisky a internítepelné zisky dodávané od elektrických spotřebičů, osvětlení, činností člověka například vaření jídla a biologické teplo lidí.

Graf č.1 Pokrytí spotřeby tepla na vytápění v pasivních budovách
K zajištění energeticky efektivního využití tepelných zisků je třeba zajistit prioritu chodu tepelných zisků před teplem dodávaným z tepelné soustavy!
Priorita chodu tepelných zisků před teplem dodaným tepelnou soustavou je novou technickou úkolem pro projektanty tepelných systémů. Energeticky efektivní využití tepelných zisků je deklarované v energetickém certifikátu budovy. Je proto závazné pro developery a investory při výstavbě nových budov, ale i při významné obnově budov. Energeticky efektivní využití tepelných zisků znamená, že budou využity na vytopení budovy na výpočetní interiérovou teplotu a nebudou znehodnoceny na přetápění budovy!

2. Příklad pro srovnání sálavých tepelných soustav ve vztahu k akumulační zátěži a možnosti využití tepelných zisků.

Pro srovnání vlastností tepelných soustav a určení předpokladu využití tepelných zisků je vhodná metoda sledování průběhu akumulace tepla v tepelné soustavě. Tepelné soustavy nejsou izolované směrem do interiéru budovy a neumíme regulovat vybíjení akumulace.Vybíjení akumulace probíhá v závislosti na aktuální tepelné ztrátě budovy.V takovém případě aktuální tepelný výkon a povrchová tepla soustavy jsou závislé na stavu akumulace soustavy.Na energeticky efektivní využití tepelných zisků má rozhodující vliv teplotní zpoždění = akumulační zátěž tepelné soustavy. Akumulační zátěž tepelné soustavy je doba nabíjení a doba vybíjení akumulace soustavy. Tepelná soustava je tvořena teplonosným médiem-vodou a konstrukčním materiálem, který tvoří tepelnou soustavu. Tyto materiály akumulují teplo a předávají ho do interiéru s časovým posunem = akumulační zátěž.

2.1.Ideálna tepelná soustava

K zajištění priority chodu tepelných zisků je nutné, aby tepelná soustava měla nulovou akumulační zátěž, nebo aby tato zátěž byla co nejmenší. Příkladem je ideální tepelná soustava na následujícím grafu.

Graf .2. Průběh akumulace ideální tepelné soustavy

Popis grafu č.2

1.V čase 0hod je ideální tepelná soustava schopna okamžitě reagovat na regulační podnět a dosáhnout nominální tepelný výkon. Akumulační zátěž při nabíjení akumulace je 0 hod.

2.Čevenou vodorovnou úsečkouje znázorněna doba chodu soustavy. Soustava odevzdává teplo a dosahuje tak požadovanou interiérovou teplotu.

3.Po dosažení požadované interiérové teploty okamžitě soustava ztrácí energii a přestává dodávat teplo do prostoru. Akumulační zátěž při vybíjení akumulace je 0 hod. Okamžitým zastavením dodávky tepla se nezvyšuje teplota interiéru nad požadovanou hodnotu = nepřetápíme prostor!

2.2.Príklad-výpočet akumulace a akumulační zátěže tepelných soustav pro budovu s výpočetní plochou 100m²

Vstupní podmínky:
1. Tepelná ztráta budovy při výpočtové teplotě Qs = 3200W.Aktuální tepelná ztráta pro výpočet akumulační zátěže (50% Qs) Qa = 1600W.
2. Tepelný zdroj je tepelné čerpadlo s výkonem 8000W.
3. Tepelné soustavy jsou dimenzovány na pokrytí tepelné ztráty objektu
-WH vodní infrazářiče 3 kusy WH20, 4kusy WH 15
-Sádrokartonový stropní systém SDK 15mm (9,9x1,1, r = 100mm)
-Stropní podomítkový systém 24mm (9,9x1,1, r = 100mm)
-Krytiny systém v potěru o tloušťce 45 mm (17x2, r = 150mm, R = 0,1 m².K / W)
-BKT aktivované betonové jádro tloušťky 150mm (17x2, r = 150mm)
Při plošných sálavých systémech poměr aktivní plochy k celkové ploše 0,7.
Vzorec pro výpočet akumulace tepla Q = c.m.ΔΘ (W)
c-měrná tepelná kapacita materiálu W / kg / K
m-hmotnost materiálu kg
ΔΘ-rozdíl teploty před a po ohřátí (Θ1-Θ0), K

Tabulka č.1 Fyzikální vlastnosti použitých materiálů tepelných soustav

Konstrukční materiál systémuMerná hmotnost ρ [kg/m3]Tepelná kapacita materiálů C [w/kg/K]Tepelná kapacita vody C [W/kg/K]
AL zliatina270020,2561,16
Sadra12000,3051,16
Omietka12000,2331,16
Betón24000,2831,16

Tabulka č.2 Zdrojová tabulka pro výpočet průběhu akumulace tepelných soustav

Tepelný systémObjem systému v [m3]Hmotnost systému [kg]Hmotnost vodného objemu [kg]Akumulace tepla [W]Nabíjení akumulace [hod]Vybíjení akumulace [hod]
WH-vodní infražáriče 1075818930,21,1
Sadrokartónový stropní systém1,512604752640,73,3
Podomítkový stropní systém2,420164762900,84,0
Podlahový systém v potěru4,6772862338894,221,2
BTK Aktivované betónové jádro1525200628644610,854,0

 

Graf č.3 Grafické srovnání průběhu akumulace tepelných soustav při vytápění
Popis chodu porovnávaných tepelných soustav

Metodiky porovnávání soustav
Všechny soustavy dosahují stejný tepelný výkon a předávají teplo při tomto výkonu stejně dlouhý čas-chod tepelné soustavy . Tento interval spojuje všechny soustavy a je tak možné porovnávat rozdílné doby nabíjení a vybíjení akumulace-akumulační zátěže soustav. V praxi tyto průběhy akumulace začínají v bodě 0hodín a čas nabíjení akumulace je časovým zpožděním na regulační podnět. Stav akumulace má přímý vztah s aktuálním tepelným výkonem a povrchovou teplotou soustavy. Pokud bychom volili srovnání chodu tepelných soustav od bodu 0hod v grafickém vyjádření by se ztratila přehlednost vlivem extrémně dlouhých časových intervalů u systému BKT aktivované betonové jádro a podlahový systém v potěru.

Popis grafu č.3
1.Nabíjanie akumulace
Akumulační zátěž při nabíjení akumulace se pohybuje v rozmezí od 0,2hod u WH vodních infrazářičů až po 10,8hod u BKT betonového jádra. Na dobu nabíjení akumulace má vliv tepelný výkon zdroje, platí že doba nabíjení bude vždy podstatně kratší,než doba vybíjení soustavy. Čím je doba nabíjení delší tím je menší tepelný komfort v interiéru.
2.Vybíjanie akumulace
Akumulační zátěž při vybíjení akumulace se pohybuje od 1,1hod u WH vodních infrazářičů až po 54hod u BKT betonového jádra. Na dobu vybíjení akumulace má vliv aktuální tepelná ztráta budovy.Extrémně akumulační zátěže mají hlavně tepelné systémy BKT betonové jádro a podlahový systém v potěru.Tito extrémy jsou předpokladem na přetápění interiéru uvolňováním tepla z akumulace tepelné soustavy i po dosažení horní hranice požadované interiérové teploty.Křivky teplot akumulační zátěže z grafu č.3 využijeme do grafu č.4 pro dvě soustavy s nejmenší akumulační zátěží WH vodní infrazářiče a sádrokartonový stropní systém SDK.

2.3. Vliv akumulační zátěže na interiérovou teplotu pro vybrané tepelné soustavy.

Graf č.4.Grafické znázornění vlivu akumulační zátěže na interiérovou teplotu Θr pro
WH-vodní infrazářiče a sádrokartonový stropní systém SDK.

Popis grafu č.4

Požadovaná interiérová teplota Θr = 21 ° C s hysterezí ± 1K je vyznačena v grafu žlutými čarami. Chod tepelných zisků je znázorněn červenou barvou.

1.Sadrokartónový stropní systém SDK

Modrou čarou je vyznačen průběh interiérové ​​teploty při vytápění sádrokartonovým stropním systém. Chod soustavy je neharmonický a má 3násobnou akumulační zátěž oproti WH infrazářiči. To se nepříznivě odráží na dodávání tepelné energie i poté, co dosáhne horní mez intervalu interiérové ​​teploty Θrmax. Veškerá dodávaná energie nad tuto hranici je nežádoucí a přispívá pouze na přetopení prostoru. V době, kdy působí tepelné zisky souběžně dodává tepelnou energii s akumulace a přispívá tím k extrémnímu přetopení prostoru.

2.WH vodní infrazářiče

Zelenou čarou je vyznačen průběh interiérové ​​teploty při vytápění WH-vodní infrazářiči. Chod této soustavy má harmonický průběh s minimální dodávkou tepelné energie pro zajištění požadované teploty. Soustava je schopna reagovat na regulační podnět ve velmi krátké době a v případě působení tepelných zisků nedodává žádnou tepelnou energii. Tyto vlastnosti zabezpečují využití tepelné energie ze soustavy a tepelných zisků energeticky efektivním způsobem pouze na vytopení prostoru bez utrácení energie na přetápění. V tomto grafickém vyjádření byly porovnány dvě tepelné soustavy, které mají z hodnocených soustav nejmenší akumulační zátěže a lze je přehledně znázornit. Ostatní hodnocené tepelné soustavy dosahují ještě větší extrémy jako sádrokartonový stropní systém SDK a grafické srovnání by bylo nepřehledné.

 

2.4.Sumár poznatků z porovnání sálavých tepelných soustav při vytápění

Čím je doba vybíjení tepelné soustavy delší tím se spotřebovávávíce tepelné energie dodané z akumulace tepelné soustavy pouze na přetopení prostoru. Zároveň platí, že čím je delší doba vybíjení akumulace tím je menší pravděpodobnost energeticky efektivního využití tepelných zisků.Při souběhu extrémní akumulační zátěže a tepelného zisku bude docházet k extrémní interiérové ​​teplotě a zhoršenému tepelnému komfortu pro lidi.Tepelná soustava se stává hlavní prvkem v energetickém systému pasivních objektů. Tepelná soustava s nízkou akumulační zátěží WH systém zajišťuje v hlavní míře energeticky efektivní využití obnovitelné energie jakož i rekuperaci tepla s interiérových tepelných zisků. Významně tím snižuje náklady na energie a spotřebu primární energie pro vytápění pasivních objektů.V extrémních případech v porovnání se soustavou s velkou akumulační zátěží může úspora tepla dosahovat až celý objem tepelných zisků na úrovni 80% podílu spotřeby tepla objektu na vytápění. Tepelné soustavy s nízkou akumulační zátěží jsou prostředkem ke splnění hodnot spotřeby tepla pro vytápění uváděny v energetickém certifikátu budovy.

2.4.Sumár poznatků z porovnání sálavých tepelných soustav při vytápění

Chlazení

3.1. Popis jevů při chlazení v sálavých tepelných soustavách

Pro popis jevů probíhajících v sálavých tepelných soustavách při chlazení použijeme příklad měření a výpočtu průběhu teploty rosného bodu v exteriéry a v interiéry rodinného domu měřeného během vrcholového dne letní sezóny.

Graf č.5.Grafické znázornění průběhu teploty rosného bodu exteriérového vzduchu a interiérového vzduchu v letním období v rodinném domě a okolí 30.7.2018.
Poznámka: Měření teploty a vlhkosti interiérového vzduchu probíhalo v nejvíce zatíženém prostoru ve spojené obýváku s kuchyní. Snímače teploty a vlhkosti byly umístěny 9 m od varné desky a nad varnou deskou byl při vaření v činnosti digestoř s odtahem vzduchu do exteriéru. Pro hodnocení teploty a vlhkosti exteriérového vzduchu byla použita meteostanice.

Popis grafu č.5
Z grafu vyplývá že oba průběhu teploty rosného bodu mají neharmonický průběh s více extrémy během dne a noci. Na teplotu rosného bodu interiéru má největší vliv činnost člověka. Největší interiérové špičky jsou dosahovány během přípravy oběda po 10:00 do 12:00 a večer po 17:00. Na průběh teploty exteriérového rosného bodu má vliv příroda a největší špičky se dosahují v noci. Teplota exteriérového vzduchu v průběhu dne dosahovala vyšší úroveň než teplota interiérového rosného bodu. Lidskou činností, která zvyšuje teplotu a relativní vlhkost vzduchu v létě hlavně vařením a větráním pomocí rekuperace (v závislosti na zvoleném systému provozu) budeme zvyšovat úroveň teploty rosného bodu interiéru dynamickým způsobem. Sálavé tepelné soustavy hlavně budované mokrým způsobem a sádrokartonový systém musí pracovat z bezpečnostního hlediska nad rosným bodem interiérového vzduchu s dostatečně velkou teplotní rezervou. Je to jediná prevence před vznikem plísní, poškozením a případným úrazům lidí! Při požadavku na maximalizaci chladícího výkonu vzniká požadavek na krátký reakční čas při nabíjení a vybíjení tepelné soustavy při chlazení = minimální akumulační zátěž. 

Fotografie plíseň na stropě a stěnách
3.2.Akumulácia tepelných soustav při chlazení

Graf č.6 Grafické srovnání průběhu akumulace tepelných soustav při chlazení
Popis grafu č.6
Akumulace v grafu č.6 je označována zápornou hodnotou (-). Z pohledu toku energie při chlazení tepelnou energii odebíráme z interiéru, proto má zápornou hodnotu, při vytápění energii dodáváme do interiéru, proto má kladnou hodnotu (+). Pokud má soustava -100% stav akumulace znamená to, že je schopna odebrat teplo ze svého okolí s nominálním = projektovaným výkonem.
Metodiky porovnávání soustav při chlazení je stejná jako byla popsána při vytápění. Jevy v tepelných soustavách při chlazení probíhají při zrcadlově obráceném grafu v minusových hodnotách akumulace.
Všechny soustavy dosahují stejný chladicí výkon a odebírají teplo z interiéru při tomto výkonu stejně dlouhý čas -chod tepelné soustavy .Tento interval spojuje všechny soustavy a je tak možné porovnávat rozdílné doby nabíjení a vybíjení akumulace-akumulační zátěže soustav. V praxi tyto průběhy akumulace začínají v bodě 0hodín a čas nabíjení akumulace je časovým zpožděním na regulační podnět.Stav akumulace má přímý vztah s aktuálním chladicím výkonem a povrchovou teplotou soustavy.Na rozdíl oproti vytápění budeme při chlazení hodnotit vliv akumulační zátěže při nabíjení a vybíjení akumulace ve vztahu k teplotě rosného bodu interiérového vzduchu.

3.3. Akumulační zátěž tepelných soustav při chlazení ve vztahu k průběhu teploty interiérového rosného bodu vzduchu a doporučené regulaci přívodní teploty vody.

Pro srovnání dvou tepelných soustav z nejmenší akumulační zátěží WH vodní infrazářiče a sádrokartonový stropní systém SDK použijeme průběh teploty rosného bodu z grafu č.5 a křivky průběhu akumulační zátěže z grafu č.6.Na grafech č.7 a č.8 si zároveň popíšeme dva způsoby regulace přívodní teploty vody používané při sálavých tepelných systémech. Regulace pomocí snímače rosného bodu při sádrokartonových stropních systémech SDK a
regulace pomocí vyhodnocování a kopírování rosného bodu při WH vodních infrazářičů.

Graf č.7 Průběh regulace přívodní teploty vody při chlazení pro tepelné soustavy WH vodní infrazářiče a sádrokartonový stropní systém SDK s použitím snímače rosného bodu při 16 ° C
Popis grafu č.7 a č.8
Sádrokartonový stropní systém SDK

Sádrokartonový systém SDK využívá podle doporučení výrobce na regulaci přívodní teploty vody čidlo rosného bodu a regulátor s možností nastavení konstantní nebo ekvitermně řízené teploty přívodní vody. Ekvitermní řízení probíhá podle exteriérové teploty vzduchu. Vnější teplota vzduchu nemá žádný vztah k interiérovému rosnému bodu vzduchu, tato konstrukce programu regulátoru je pouze pomocná a vychází z koncepce pro ekvitermní řízení přívodní teploty pro vytápění. Pro zjednodušené grafické vyjádření je v grafu použita konstantní teplota přívodu 16 ° C. Modrou čarou je znázorněna regulace přívodní teploty vody na konstantní teplotu 16 ° C pro dosažení co nejvyššího chladícího výkonu. Červenou čarou je znázorněna oblast překročení rosného bodu vlivem akumulační zátěže soustavy. Snímač rosného bodu reaguje při dosažení 85% relativní vlhkosti povrchu soustavy rozepnutím okruhu napájení oběhového čerpadla chladicího okruhu. Pokud je snímač rozepnut je snížen výkon chlazení o výkon zdroje. Chladicí výkon z akumulace soustavy probíhá i nadále a přichází k orosení soustavy-červená čára. Čím má soustava delší dobu vybíjení=akumulační zátěž tím bude mít menší sklon čáry a o to déle a častěji bude protínat křivku teploty rosného bodu. Po ohřátí povrchu soustavy nad rosný bod regulátor musí pozastavit chlazení ze zdroje na předem zvolený čas-odstávka. Tento čas je nezbytný k tomu, aby se soustava nedostala opakovaně pod čáru rosného bodu. Po uplynutí doby odstávky regulátor spustí oběhové čerpadlo chladicího okruhu.Během dne se dosáhlo překročení rosného bodu 3krát. Po 18:00 večer začíná zvyšovat teplota rosného bodu exteriérového vzduchu, což může způsobit při použití rekuperace orosení soustavy.Tento způsob regulace je výrazně ovlivněn vstupními podmínkami zadávanými člověkem, což může velmi negativně ovlivnit chod soustavy. Při nastavení přívodní teploty vody co nejnižší, bude vždy docházet k překročení teploty rosného bodu a k orosení tepelné soustavy.Takový provoz může vést ke vzniku plísní, destrukci systému a ohrožení lidí vyskytujícími se pod takovou tepelnou soustavou. Nejčastějším bezpečným řešením regulace přívodní teploty vody pro tepelné soustavy s velkou akumulační zátěží bývá konstantní teplota + 2K nad maximální teplotou rosného bodu během dne znázorněno na grafu č.8.

WH vodní infrazářiče
Zelenou čarou je znázorněn průběh teploty přívodní vody pro WH systém, který kopíruje průběh teploty interiérového rosného bodu s malou tepelnou rezervou. Pro vyhodnocení interiérového rosného bodu se využívá snímač teploty a relativní vlhkosti vzduchu. Regulátor na základě těchto hodnot v reálném čase vypočítává teplotu rosného bodu a o zvolenou tepelnou bezpečnost reguluje přívodní teplotu vody. Jedná se plynulou a efektivní regulaci přívodní teploty vody s maximálním chladicím výkonem v průběhu celého dne.

Graf č.8 Průběh regulace přívodní teploty vody při chlazení pro tepelné soustavy WH vodní infrazářiče a sádrokartonový stropní systém SDK s použitím snímače rosného bodu při bezpečné přívodní teplotě.
Jsme malá dynamicky se rozvíjející společnost rodinného typu. Nabízíme poradenství v oblasti energetiky pasivních domů, projekčné práce tepelných soustav a dodáváme tepelný systém pro sálavé vytápění a chlazení budov.
Produkty
Július Černička -JOS
Námestie 1 mája 812/55
922 05 Chtelnica
Slovensko

IČO: 37470191
IČ DPH: SK1020325548
apartmentenvelopephone-handset