Využití tepelně aktivních prvků stavební konstrukce

Systémy tepelně aktivních prvků stavební konstrukce (v angličtině  Thermally-Active Building Systems - TABS) jsou v Evropě často realizovány pro chlazení a vytápění administrativních budov. Umožňují úpravu tepelných parametrů vnitřního prostředí v budově s využitím tepelné kapacity konstrukce budovy k akumulaci energie. Tento princip vytváří podmínky pro snížení provozních nákladů a lepší využití obnovitelných zdrojů energie. Článek popisuje provozní vlastnosti tepelně aktivních konstrukcí a ukazuje praktický příklad instalace v mírném podnebí střední Evropy.

1. Všeobecné vlastnosti a volba systému
Fyzikální princip systému s integrovanými trubkovými registry v ocelově-betonovém stropě během provozu využívá tepelnou kapacitu stavební konstrukce [1] [2]. K dosažení akumulace tepla má systém ve většině případů registr trubek integrovaný uprostřed stropní konstrukce nebo stěny. Samotná akumulace a výměna tepla do prostoru může nastat v různé době vzhledem k využívání budovy. V noci  konstrukci vychlazujeme (léto) a během dne do ní akumulujeme teplo od vnitřních a vnějších zisků. Tímto způsobem dosáhneme snížení špičkové denní zátěže a odvádíme tepelné zisky časově mimo pracovní dobu, což nám umožňuje využít zvýhodněný noční tarif pro odběr elektrické energie i snížení potřebného instalovaného výkonu chladicího zařízení přibližně o 30 až 40 %.

Důležitou provozní vlastností systému je, že nedokáže udržovat teplotu v místnosti v tak úzkém rozsahu jako klimatizační systémy. V praxi většinou dochází k mírnému nárůstu teploty během dne o cca 0,3 až 0,5 °C/h. Systém může pracovat v režimu chlazení i vytápění a využívá teplonosné médium (vodu) takové teploty, která je v obou režimech blízká teplotě místnosti (rozdíl je většinou menší než 10 °C). Tato vlastnost umožňuje efektivnější využívání nízkopotenciálních zdrojů energie, jako jsou tepelná čerpadla, zemní výměníky tepla apod. Malý teplotní rozdíl mezi aktivní konstrukcí a místností se projevuje také v takzvané samoregulační schopnosti systému. Jen nepatrná teplotní změna mezi teplosměnným povrchem a místností dokáže výrazně změnit prostup tepla, který je charakterizován výraznou změnou součinitele přestupu tepla konvekcí.

Za účelem efektivního využívání systému by budova měla být vybavena tepelně izolovanou obvodovou konstrukcí (příp. účinným stínicím systémem) a měla by mít malé a pokud možno stejné tepelné ztráty a zisky. Důležitý je pravidelný charakter denního cyklu vnitřních tepelných zátěží. Na základě zkušeností můžeme stanovit optimální tepelnou zátěž do 30 W/m². V případě předpokládané vyšší tepelné zátěže v rozmezí 40 až 60 W/m² je nutné při návrhu ověřit dynamické chování systému počítačovou simulací. V budovách, kde tepelná zátěž převyšuje 60 W/m², se doporučuje nainstalovat doplňkový systém s rychlejší odezvou pro úpravu tepelného prostředí.

2. Výměna tepla a dynamické chování systému 
Z fyzikálního hlediska závisí poměr množství tepla sdíleného mezi teplo-směnnou plochou aktivní konstrukce a místností sáláním a konvekcí na aktuálním režimu systému (chlazení nebo vytápění) a také na umístění aktivního elementu v místnosti (strop, stěna, podlaha). Tento poměr se pohybuje od 1/1 do 9/1 a lze jej určit z porovnání součinitelů prostupu tepla. Detailní popis dosahovaných hodnot součinitele prostupu tepla je popsán v literatuře [3]. Rozdělení poměru prostupu tepla sdíleného přes strop a podlahu závisí na složení dané stavební konstrukce. Zařazení tepelné/akustické izolace nebo vzduchové mezery do konstrukce stěny (podlahy) pro účel vedení instalací výrazně sníží prostup tepla podlahou do místnosti směrem nahoru (obr. 1).

Obr. 1 Rozložení teploty v tepelně aktivní konstrukci – složení s akustickou izolací (vlevo) a vzduchovou mezerou (vpravo) [2]

3. Provoz TAB systému v administrativní budově v Hamburgu
V budově S-KAI v Hamburgu (oblast Hafen City) bylo v létě 2009 provedeno měření, jehož cílem bylo ověřit chování a výkon Uponor TAB systému v letním provozu během nejteplejšího letního dne s venkovní teplotou 34 °C [4]. Výběr extrémně teplého dne ukazuje nejvyšší zátěž systému – v ostatních dnech, kdy bude teplota během dne nižší, budou i teplotní podmínky v hodnocené budově příznivější. Budova je novostavbou. 

Obr. 2 Budova S-KAI, kde probíhala měření – jihozápadní pohled.

3.1 Metoda měření
Měřeny byly dvě místnosti na prosklené jižní fasádě ve druhém nadzemním podlaží. Místnosti jsou vybaveny žaluziemi, které však během měření nebyly použity. 1. velkoplošná kancelář – jih, 2. rohová kancelář – jihozápad.

V každé místnosti byly měřeny dva modelové případy: A. stav s otevřenými okny (15.00 – 17.00), B. stav 30 min. po zavření oken (17.30 – 18.30).

Obr. 3 Půdorys budovy s označenými místy měření

3.2 Naměřené parametry
Měřením byly zjištěny tyto parametry: teplota chladicího média – 17/19,5 °C, venkovní teplota – 34 °C. Relativní vlhkost ve venkovním prostředí byla 48 %, absolutní vlhkost ve venkovním prostředí – 16,5 g/kgsv.
V budově byl naměřen tepelný výkon 55 W/m² a systém potvrdil schopnost vychladit administrativní budovu i během špičkové chladicí zátěže v létě, která je typická pro střední Evropu. Při dlouhodobém otevření oken vzrostla teplota v místnosti díky teplému venkovnímu vzduchu na 33 °C. Po uzavření oken systém pomocí předchlazené tepelně aktivní konstrukce ochladil za 30 minut hodnocené místnosti z 33 °C na 26 °C.

Obr. 4 Termovizní snímek s povrchovými teplotami (velkoplošná kancelář – jih)

Obr. 5 Rohová místnost orientovaná na jihozápad

4. Budoucnost tepelně aktivních konstrukcí
Po letech výzkumu a vývoje je systém TABS plně vyvinutý, aplikovatelný a komerčně běžně dostupný. V současnosti je často instalovaný v širokém spektru budov, především však v německy mluvících zemích. Výroba celých prefabrikovaných stropních bloků s předem integrovanými trubkovými registry a rozdělovači přináší ulehčení výroby a montáže [3]. 

V Německu byl vyvinut vysoce výkonný TABS s trubkami relativně blízko k povrchu stropu. Konstrukce tzv. tepelné zásuvky (thermal socket) zase vytváří prostor pro zapojení závěsného chladicího panelu v místnostech se zvýšenou chladicí zátěží, jako jsou například konferenční a rohové místnosti [5].
V posledních letech byl ve Švýcarsku vyvinut systém akumulace tabsRetofit pro rekonstrukce a tzv. „lehké“ budovy. Systém je schopen využít pro akumulaci jak citelné, tak i latentní teplo pomocí speciálních materiálů, parafínů [6].

5. Závěr
V současnosti se v našich krajích používá tepelná aktivace pro chlazení administrativních budov spíše zřídka. Většina kancelářských budov je stále chlazena pomocí „klasického“ provedení vytápění nebo klimatizace s vysokými energetickými nároky. V budově s vysokou letní tepelnou zátěží (např. s prosklenou fasádou) je provoz chlazení klimatizačním systémem kromě energií náročný i na údržbu, právě kvůli vysokým dávkám vzduchu potřebným pro tepelnou úpravu – vychlazení prostoru. Výhodou je udržování parametrů mikroklimatu v úzkém rozsahu komfortní zóny. Navzdory snaze projektantů se však často vyskytují nespokojenosti z řad uživatelů především z důvodu obtěžování průvanem, či pro příliš nízko nastavené požadované teploty klimatizované místnosti nebo pro příznaky syndromu nemocných budov. Příklady z praxe ukazují, že navzdory mírnému kolísání teploty v místnosti je prostředí s úpravou teplotních podmínek velkoplošným sálavým systémem vnímáno jako příjemnější a akceptovatelnější. Úprava parametrů kvality vnitřního vzduchu může být u tohoto systému řešena poměrně malým větracím systémem zabezpečujícím hygienické parametry vnitřního vzduchu.
 
Ing. Ján Babiak, Ph. D.
Autor působí ve firmě Uponor GmbH v Německu.
Recenzoval: Dr. Ing. Jakub Kolařík

Foto a obrázky: archiv autora

Literatura
1. Babiak J.: Nízkoteplotné vykurovanie a vysokoteplotné chladenie s termoaktívnymi stropmi. In: TZB Haustechnik, 2005, č. 1, s. 24 – 26.
2. Deecke, H. – Guenther, M. – Olesen, B. W.: Betonkernaktivierung. Velta Nordestedt, Německo, 2003.
3. Kolařík, J. – Babiak, J.: Použití tepelně aktivních prvků stavební konstrukce k vytápění a chlazení kancelářských budov – díl II. In: Vytápění, větrání, instalace, 2006, č. 5.
4. Babiak, J. – Deecke, H.: Performance of the TAB-System Standard – Estimated by Means of a Measurement. In: Internal Project Report, Uponor GmbH Nordestedt, Německo.
5. Praxishandbuch der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Herausgeber – Uponor GmbH, Beuth Verlag GmbH, Berlin: Mercedes-Berlin, 2009.
6. Koschenz, M. – Lehmann, B.: Thermoaktive Bauteilsysteme TABS. EMPA Duebendorf, Švýcarsko, 2000.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik.