Sálavé tepelné sústavy pre pasívne budovy
Vykurovanie
1. Vplyv sálavých tepelných sústav na energetickú hospodárnosť budov ( EHB)
Budovy zodpovedajú za 40% celkovej spotreby energie v EU. Tento sektor narastá, čo je spojené so zvyšovaním jeho spotreby. Zníženie spotreby primárnej energie a využívanie obnoviteľných zdrojov v sektore budov preto predstavujú dôležité opatrenie na zníženie energetickej závislosti Únie a emisií skleníkových plynov.
Cieľom v oblasti výstavby a významnej rekonštrukcie budov je stavať budovy takmer s nulovou spotrebou energie - pasívne budovy. Povinná výstavba pasívnych budov je určená od roku 2020.
1.1. Pasívne budovy z pohľadu architektúry
Fotografie pasívnych budov s výraznými tieniacimi prvkami -Viedeň
1.2.Pasívne budovy z pohľadu energetiky
V pasívnych objektoch tepelné zdroje a tepelná sústava pokrývajú spotrebu tepla pre vykurovanie iba v objeme do 20%. Rozhodujúci podiel spotreby tepla objektu pokrývajú tepelné zisky v objeme až 80%. Tepelné zisky môžu byť externé -hlavne solárne zisky a interné tepelné zisky dodávané od elektrických spotrebičov, osvetlenia, činností človeka napríklad varenie jedla a biologické teplo ľudí.
Graf č.1 Pokrytie spotreby tepla na vykurovanie v pasívnych budovách
Priorita chodu tepelných ziskov pred teplom dodaným tepelnou sústavou je novou technickou úlohou pre projektantov tepelných systémov. Energeticky efektívne využitie tepelných ziskov je deklarované v energetickom certifikáte budovy. Je preto záväzné pre developerov a investorov pri výstavbe nových budov, ale aj pri významnej obnove budov.
Energeticky efektívne využitie tepelných ziskov znamená, že budú využité na vykúrenie budovy na výpočtovú interiérovú teplotu a nebudú znehodnotené na prekurovanie budovy!
2. Príklad pre porovnanie sálavých tepelných sústav vo vzťahu k akumulačnej záťaži a možnosti využitia tepelných ziskov
Na porovnanie vlastností tepelných sústav a určenia predpokladu využitia tepelných ziskov je vhodná metóda sledovania priebehu akumulácie tepla v tepelnej sústave. Tepelné sústavy nie sú izolované smerom do interiéru budovy a nevieme regulovať vybíjanie akumulácie.
Vybíjanie akumulácie prebieha v závislosti na aktuálnej tepelnej strate budovy. V takomto prípade aktuálny tepelný výkon a povrchová tepla sústavy sú závislé na stave akumulácie sústavy.
Na energeticky efektívne využitie tepelných ziskov má rozhodujúci vplyv teplotné oneskorenie = akumulačná záťaž tepelnej sústavy. Akumulačná záťaž tepelnej sústavy je doba nabíjania a doba vybíjania akumulácie sústavy. Tepelná sústava je tvorená teplonosným médiom - kúrenárskou vodou a konštrukčným materiálom ,ktorý tvorí tepelnú sústavu. Tieto materiály akumulujú teplo a odovzdávajú ho do interiéru s časovým posunom = akumulačná záťaž.
2.1. Ideálna tepelná sústava
Na zabezpečenie priority chodu tepelných ziskov je potrebné aby tepelná sústava mala nulovú akumulačnú záťaž, alebo aby táto záťaž bola čo najmenšia. Príkladom je ideálna tepelná sústava na nasledovnom grafe.
Graf .2. Priebeh akumulácie ideálnej tepelnej sústavy
Popis grafu č.2
- V čase 0hod je ideálna tepelná sústava schopná okamžite reagovať na regulačný podnet a dosiahnuť nominálny tepelný výkon. Akumulačná záťaž pri nabíjaní akumulácie je 0 hod.
- Čevenou vodorovnou úsečkou
je znázornená doba chodu sústavy. Sústava odovzdáva teplo a dosahuje tak požadovanú interiérovú teplotu. - Po dosiahnutí požadovanej interiérovej teploty okamžite sústava stráca energiu a prestáva dodávať teplo do priestoru. Akumulačná záťaž pri vybíjaní akumulácie je 0 hod. Okamžitým zastavením dodávky tepla sa nezvyšuje teplota interiéru nad požadovanú hodnotu = neprekurujeme priestor!
2.2.Príklad - výpočet akumulácie a akumulačnej záťaže tepelných sústav pre budovu s výpočtovou plochou 100m²
Vstupné podmienky :
- Tepelná strata budovy pri výpočtovej teplote Qs= 3200W. Aktuálna tepelná strata pre výpočet akumulačnej záťaže (50% Qs) Qa=1600W .
- Tepelný zdroj je tepelné čerpadlo s výkonom 8000W
- Tepelné sústavy sú dimenzované na pokrytie tepelnej straty objektu
- WH vodné infražiariče 3 kusy WH20, 4kusy WH 15
- Sadrokartónový stropný systém SDK 15mm (9,9x1,1 ,r= 100mm)
- Stropný podomietkový systém 24mm (9,9x1,1 ,r= 100mm)
- Podlahový systém v potere s hrúbkou 45 mm ( 17x2, r= 150mm , R= 0,1 m².K/W)
- BKT aktivované betónové jadro hrúbky 150mm ( 17x2, r= 150mm )
- Pri plošných sálavých systémoch pomer aktívnej plochy k celkovej ploche 0,7
- Vzorec pre výpočet akumulácie tepla Q=c.m.∆ϴ (W)
- c- merná tepelná kapacita materiálu W/kg/K
- m- hmotnosť materiálu kg
- ∆ϴ -rozdiel teploty pred a po ohriatí (ϴ1 - ϴ0) , K
Tabuľka č.1 Fyzikálne vlastnosti použitých materiálov tepelných sústav
| Konštrukčný materiál systému | Merná hmotnosť ρ [kg/m3] | Tepelná kapacita materiálu C [w/kg/K] | Tepelná kapacita vody C [W/kg/K] |
| AL zliatina | 2700 | 20,256 | 1,16 |
| Sadra | 1200 | 0,305 | 1,16 |
| Omietka | 1200 | 0,233 | 1,16 |
| Betón | 2400 | 0,283 | 1,16 |
Tabuľka č.2 Zdrojová tabuľka pre výpočet priebehu akumulácie tepelných sústav
| Tepelný systém | Objem systému v [m3] | Hmotnosť systému [kg] | Hmotnosť vodného objemu [kg] | Akumulácia tepla [W] | Nabíjanie akumulácie [hod] | Vybíjanie akumulácie [hod] |
| WH-vodné žiariče | 107 | 58 | 1893 | 0,2 | 1,1 | |
| Sadrokartónový stropný systém | 1,5 | 1260 | 47 | 5264 | 0,7 | 3,3 |
| Podomietkový stropný systém | 2,4 | 2016 | 47 | 6290 | 0,8 | 4,0 |
| Podlahový systém v potere | 4,6 | 7728 | 62 | 33889 | 4,2 | 21,2 |
| BTK Aktivované betónové jadro | 15 | 25200 | 62 | 86446 | 10,8 | 54,0 |
Metodiky porovnávania sústav
Všetky sústavy dosahujú rovnaký tepelný výkon a odovzdávajú teplo pri tomto výkone rovnako dlhý čas -chod tepelnej sústavy. Tento interval spája všetky sústavy a je tak možné porovnávať rozdielne doby nabíjania a vybíjania akumulácie - akumulačné záťaže sústav. V praxi tieto priebehy akumulácie začínajú v bode 0hodín a čas nabíjania akumulácie je časovým oneskorením na regulačný podnet. Stav akumulácie má priamy vzťah s aktuálnym tepelným výkonom a povrchovou teplotou sústavy.
Ak by sme volili porovnanie chodu tepelných sústav od bodu 0hod v grafickom vyjadrení by sa stratila prehľadnosť vplyvom extrémne dlhých časových intervalov pri systéme BKT aktivované betónové jadro a podlahový systém v potere.
Popis grafu č.3
1.Nabíjanie akumulácie
Akumulačná záťaž pri nabíjaní akumulácie sa pohybuje v rozmedzí od 0,2hod u WH vodných infražiaričov až po 10,8hod u BKT betónového jadra. Na dobu nabíjania akumulácie má vplyv tepelný výkon zdroja, platí že doba nabíjania bude vždy podstatne kratšia, ako doba vybíjania sústavy. Čím je doba nabíjania dlhšia tým je menší tepelný komfort v interiéry.
2.Vybíjanie akumulácie
Akumulačná záťaž pri vybíjaní akumulácie sa pohybuje od 1,1hod u WH vodných infražiaričov až po 54hod u BKT betónového jadra. Na dobu vybíjania akumulácie má vplyv aktuálna tepelná strata budovy.
Extrémne akumulačné záťaže majú hlavne tepelné systémy BKT betónové jadro a podlahový systém v potery. Tieto extrémy sú predpokladom na prekurovanie interiéru uvoľňovaním tepla z akumulácie tepelnej sústavy aj po dosiahnutí hornej hranice požadovanej interiérovej teploty. Krivky teplôt akumulačnej záťaže z grafu č.3 využijeme do grafu č.4 pre dve sústavy s najmenšou akumulačnou záťažou WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK .
2.3. Vplyv akumulačnej záťaže na interiérovú teplotu pre vybrané tepelné sústavy
Graf č.4.Grafické znázornenie vplyvu akumulačnej záťaže na interiérovú teplotu ϴr pre
WH -vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK.
Požadovaná interiérová teplota ϴr=21°C s hysterézou ±1K je vyznačená v grafe žltými čiarami. Chod tepelných ziskov je znázornený červenou farbou.
1.Sadrokartónový stropný systém SDK
Modrou čiarou je vyznačený priebeh interiérovej teploty pri vykurovaní sadrokartónovým stropným systém. Chod sústavy je neharmonický a má 3 násobnú akumulačnú záťaž oproti WH infražiaričom. To sa nepriaznivo odráža na dodávaní tepelnej energie aj po tom, čo dosiahne hornú hranicu intervalu interiérovej teploty ϴrmax. Všetka dodávaná energia nad túto hranicu je nežiadúca a prispieva iba na prekúrenie priestoru. V čase, keď pôsobia tepelné zisky súbežne dodáva tepelnú energiu s akumulácie a prispieva tým k extrémnemu prekúreniu priestoru.
2.WH vodné infražiariče
Zelenou čiarou je vyznačený priebeh interiérovej teploty pri vykurovaní WH - vodnými infražiaričmi. Chod tejto sústavy má harmonický priebeh s minimálnou dodávkou tepelnej energie pre zabezpečenie požadovanej teploty. Sústava je schopná reagovať na regulačný podnet vo veľmi krátkej dobe a v prípade pôsobenia tepelných ziskov nedodáva žiadnu tepelnú energiu. Tieto vlastnosti zabezpečujú využitie tepelnej energie zo sústavy a tepelných ziskov energeticky efektívnym spôsobom iba na vykúrenie priestoru bez míňania energie na prekurovanie.
V tomto grafickom vyjadrení boli porovnané dve tepelné sústavy, ktoré majú z hodnotených sústav najmenšie akumulačné záťaže a je ich možné prehľadne znázorniť. Ostatné hodnotené tepelné sústavy dosahujú ešte väčšie extrémy ako sadrokartónový stropný systém SDK a grafické porovnanie by bolo neprehľadné.
2.4. Sumár poznatkov z porovnania sálavých tepelných sústav pri vykurovaní
Čím je doba vybíjania tepelnej sústavy dlhšia tým sa míňa viac tepelnej energie dodanej z akumulácie tepelnej sústavy iba na prekúrenie priestoru. Zároveň platí ,že čím je dlhšia doba vybíjania akumulácie tým je menšia pravdepodobnosť energeticky efektívneho využitia tepelných ziskov. Pri súbehu extrémnej akumulačnej záťaže a tepelného zisku bude dochádzať k extrémnej interiérovej teplote a zhoršenému tepelnému komfortu pre ľudí.
Tepelná sústava sa stáva hlavný prvkom v energetickom systéme pasívnych objektov. Tepelná sústava s nízkou akumulačnou záťažou WH systém zabezpečuje v hlavnej miere energeticky efektívne využitie obnoviteľnej energie ako aj rekuperáciu tepla s interiérových tepelných ziskov. Významne tým znižuje náklady na energie a spotrebu primárnej energie pre vykurovanie pasívnych objektov. V extrémnych prípadoch v porovnaní so sústavou s veľkou akumulačnou záťažou môže úspora tepla dosahovať až celý objem tepelných ziskov na úrovni 80% podielu spotreby tepla objektu na vykurovanie. Tepelné sústavy s nízkou akumulačnou záťažou sú prostriedkom na splnenie hodnôt spotreby tepla pre vykurovanie uvádzané v energetickom certifikáte budovy .
Chladenie
Pre popis javov prebiehajúcich v sálavých tepelných sústavách pri chladení použijeme príklad merania a výpočtu priebehu teploty rosného bodu v exteriéry a v interiéry rodinného domu meraného počas vrcholového dňa letnej sezóny .
Graf č.5.Grafické znázornenie priebehu teploty rosného bodu exteriérového vzduchu a interiérového vzduchu v letnom období v rodinnom dome a okolí 30.7.2018 .
Popis grafu č.5
Z grafu vyplýva že oba priebehu teploty rosného bodu majú neharmonický priebeh s viacerými extrémami počas dňa a noci. Na teplotu rosného bodu interiéru má najväčší vplyv činnosť človeka. Najväčšie interiérové špičky sú dosahované počas prípravy obeda po 10:00 do 12:00 a večer po 17:00. Na priebeh teploty exteriérového rosného bodu má vplyv príroda a najväčšie špičky sa dosahujú v noci. Teplota exteriérového vzduchu v priebehu dňa dosahovala vyššiu úroveň ako teplota interiérového rosného bodu. Ľudskou činnosťou, ktorá zvyšuje teplotu a relatívnu vlhkosť vzduchu v lete hlavne varením a vetraním pomocou rekuperácie (v závislosti od zvoleného systéme prevádzky ) budeme zvyšovať úroveň teploty rosného bodu interiéru dynamickým spôsobom. Sálavé tepelné sústavy hlavne budované mokrým spôsobom a sadrokartónový systém musia pracovať z bezpečnostného hľadiska nad rosným bodom interiérového vzduchu s dostatočne veľkou teplotnou rezervou. Je to jediná prevencia pred vznikom pliesní, poškodením a prípadným úrazom ľudí! Pri požiadavke na maximalizáciu chladiaceho výkonu vzniká požiadavka na krátky reakčný čas pri nabíjaní a vybíjaní tepelnej sústavy pri chladení = minimálna akumulačná záťaž.
Graf č.6 Grafické porovnanie priebehu akumulácie tepelných sústav pri chladení
Akumulácia v grafe č.6 je označovaná zápornou hodnotou (- ) .Z pohľadu toku energie pri chladení tepelnú energiu odoberáme z interiéru preto má zápornú hodnotu, pri vykurovaní energiu dodávame do interiéru preto má kladnú hodnotu (+). Ak má sústava -100% stav akumulácie znamená to že je schopná odobrať teplo zo svojho okolia s nominálnym = projektovaným výkonom.
Metodiky porovnávania sústav pri chladení je rovnaká ako bola popísaná pri vykurovaní. Javy v tepelných sústavách pri chladení prebiehajú pri zrkadlovo obrátenom grafe v mínusových hodnotách akumulácie.
Všetky sústavy dosahujú rovnaký chladiaci výkon a odoberajú teplo z interiéru pri tomto výkone rovnako dlhý čas - chod tepelnej sústavy. Tento interval spája všetky sústavy a je tak možné porovnávať rozdielne doby nabíjania a vybíjania akumulácie - akumulačné záťaže sústav. V praxi tieto priebehy akumulácie začínajú v bode 0hodín a čas nabíjania akumulácie je časovým oneskorením na regulačný podnet. Stav akumulácie má priamy vzťah s aktuálnym chladiacim výkonom a povrchovou teplotou sústavy.
Na rozdiel oproti vykurovaniu budeme pri chladení hodnotiť vplyv akumulačnej záťaže pri nabíjaní a vybíjaní akumulácie vo vzťahu k teplote rosného bodu interiérového vzduchu .
3.3. Akumulačná záťaž tepelných sústav pri chladení vo vzťahu k priebehu teploty interiérového rosného bodu vzduchu a odporúčanej regulácii prívodnej teploty vody
Pre porovnanie dvoch tepelných sústav z najmenšou akumulačnou záťažou WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK použijeme priebeh teploty rosného bodu z grafu č.5 a krivky priebehu akumulačnej záťaže z grafu č.6. Na grafoch č.7 a č.8 si zároveň popíšeme dva spôsoby regulácie prívodnej teploty vody používané pri sálavých tepelných systémoch. Regulácia pomocou snímača rosného bodu pri sadrokartónových stropných systémoch SDK a regulácia pomocou vyhodnocovania a kopírovania rosného bodu pri WH vodných infražiaričoch.
Graf č.7 Priebeh regulácie prívodnej teploty vody pri chladení pre tepelné sústavy WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK s použitím snímača rosného bodu pri 16°C
Popis grafu č.6
Akumulácia v grafe č.6 je označovaná zápornou hodnotou (- ). Z pohľadu toku energie pri chladení tepelnú energiu odoberáme z interiéru preto má zápornú hodnotu, pri vykurovaní energiu dodávame do interiéru preto má kladnú hodnotu (+). Ak má sústava -100% stav akumulácie znamená to že je schopná odobrať teplo zo svojho okolia s nominálnym = projektovaným výkonom.
Metodiky porovnávania sústav pri chladení je rovnaká ako bola popísaná pri vykurovaní. Javy v tepelných sústavách pri chladení prebiehajú pri zrkadlovo obrátenom grafe v mínusových hodnotách akumulácie.
Všetky sústavy dosahujú rovnaký chladiaci výkon a odoberajú teplo z interiéru pri tomto výkone rovnako dlhý čas -chod tepelnej sústavy 
. Tento interval spája všetky sústavy a je tak možné porovnávať rozdielne doby nabíjania a vybíjania akumulácie - akumulačné záťaže sústav. V praxi tieto priebehy akumulácie začínajú v bode 0hodín a čas nabíjania akumulácie je časovým oneskorením na regulačný podnet. Stav akumulácie má priamy vzťah s aktuálnym chladiacim výkonom a povrchovou teplotou sústavy.
Na rozdiel oproti vykurovaniu budeme pri chladení hodnotiť vplyv akumulačnej záťaže pri nabíjaní a vybíjaní akumulácie vo vzťahu k teplote rosného bodu interiérového vzduchu.
3.3. Akumulačná záťaž tepelných sústav pri chladení vo vzťahu k priebehu teploty interiérového rosného bodu vzduchu a odporúčanej regulácii prívodnej teploty vody
Pre porovnanie dvoch tepelných sústav z najmenšou akumulačnou záťažou WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK použijeme priebeh teploty rosného bodu z grafu č.5 a krivky priebehu akumulačnej záťaže z grafu č.6. Na grafoch č.7 a č.8 si zároveň popíšeme dva spôsoby regulácie prívodnej teploty vody používané pri sálavých tepelných systémoch. Regulácia pomocou snímača rosného bodu pri sadrokartónových stropných systémoch SDK a regulácia pomocou vyhodnocovania a kopírovania rosného bodu pri WH vodných infražiaričoch.
Graf č.7 Priebeh regulácie prívodnej teploty vody pri chladení pre tepelné sústavy WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK s použitím snímača rosného bodu pri 16°C
Sadrokartónový stropný systém SDK
Sadrokartónový systém SDK využíva podľa odporúčaní výrobcu na reguláciu prívodnej teploty vody snímač rosného bodu a regulátor s možnosťou nastavenia konštantnej alebo ekvitermicky riadenej teploty prívodnej vody. Ekvitermické riadenia prebieha podľa exteriérovej teploty vzduchu. Vonkajšia teplota vzduchu nemá žiaden vzťah k interiérovému rosnému bodu vzduchu, táto konštrukcia programu regulátora je iba pomocná a vychádza z koncepcie pre ekvitermické riadenie prívodnej teploty pre vykurovanie. Pre zjednodušené grafické vyjadrenie je v grafe použitá konštantná teplota prívodu 16°C. Modrou čiarou je znázornená regulácia prívodnej teploty vody na konštantnú teplotu 16°C pre dosiahnutie čo najvyššieho chladiaceho výkonu. Červenou čiarou je znázornená oblasť prekročenia rosného bodu vplyvom akumulačnej záťaže sústavy.
Snímač rosného bodu reaguje pri dosiahnutí 85% relatívnej vlhkosti povrchu sústavy rozopnutím okruhu napájania obehového čerpadla chladiaceho okruhu. Pokiaľ je snímač rozopnutý je znížený výkon chladenia o výkon zdroja. Chladiaci výkon z akumulácie sústavy prebieha i naďalej a prichádza k oroseniu sústavy - červená čiara. Čím má sústava dlhšiu dobu vybíjania -akumulačnú záťaž tým bude mať menší sklon čiary a o to dlhšie a častejšie bude pretínať krivku teploty rosného bodu. Po ohriatí povrchu sústavy nad rosný bod regulátor musí pozastaviť chladenie zo zdroja na vopred zvolený čas -odstávka. Tento čas je nevyhnutný na to aby sa sústava nedostala opakovane pod čiaru rosného bodu. Po uplynutí času odstávky regulátor spustí obehové čerpadlo chladiaceho okruhu. Počas dňa sa dosiahlo prekročenie rosného bodu 3 krát. Po 18:00 večer sa začína zvyšovať teplota rosného bodu exteriérového vzduchu, čo môže spôsobiť pri použití rekuperácie orosenie sústavy. Tento spôsob regulácie je výrazne ovplyvnený vstupnými podmienkami zadávanými človekom, čo môže veľmi negatívne vplývať na chod sústavy.
Pri nastavení prívodnej teploty vody čo najnižšie, bude vždy dochádzať k prekročenie teploty rosného bodu a k orosenie tepelnej sústavy. Takáto prevádzka môže viesť k vzniku pliesní, deštrukcii systému a ohrozeniu ľudí vyskytujúcimi sa pod takouto tepelnou sústavou.
Najčastejším bezpečným riešením regulácie prívodnej teploty vody pre tepelné sústavy s veľkou akumulačnou záťažou býva konštantná teplota +2K nad maximálnou teplotou rosného bodu počas dňa znázornené na grafe č.8.
WH vodné infražiariče
Zelenou čiarou je znázornený priebeh teploty prívodnej vody pre WH systém, ktorý kopíruje priebeh teploty interiérového rosného bodu s malou tepelnou rezervou. Pre vyhodnotenie interiérového rosného bodu sa využíva snímač teploty a relatívnej vlhkosti vzduchu. Regulátor na základe týchto hodnôt v reálnom čase vypočítava teplotu rosného bodu a o zvolenú tepelnú bezpečnosť reguluje prívodnú teplotu vody. Jedná sa plynulú a efektívnu reguláciu prívodnej teploty vody s maximálnym chladiacim výkonom v priebehu celého dňa.
Graf č.8 Priebeh regulácie prívodnej teploty vody pri chladení pre tepelné sústavy WH vodné infražiariče a sadrokartónový stropný systém SDK s použitím snímača rosného bodu pri bezpečnej prívodnej teplote.
