Systém vysokoteplotního chlazení

Článek přibližuje problematiku nízkoenergetické distribuce chladu a tepla. Podává základní informace o systému vysokoteplotního chlazení (VTCH) a nízkoteplotním vytápění, možnostech využití, kladech a záporech VTCH systému. Zabývá se také využitím těchto systémů v kombinaci s volným chlazením a alternativními zdroji.

 Důležitým cílem každého projektu budovy je vytvořit komfortní mikroklima. Pro dosažení celoroční tepelné pohody v místnostech je v dnešní době chlazení místností důležitější a náročnější než jejich vytápění. Snížení teploty v místnosti je proces náročnější na energii, technologii a návrh, než zvýšení teploty pomocí vytápění. Proto jsou pro dosažení žádaného komfortu kladeny vysoké nároky na inovativní techniku budovy. Při návrhu optimálního systému musíme brát v úvahu vhodné technologie, které jsou v souladu s vyhláškou ministerstva pro místní rozvoj č. 137/1998 Sb. a zákonem č. 406/2000 Sb., tedy šetrné na zdroje energie, a tím se snažit snižovat zatížení životního prostředí.

S ohledem na soustavné zpřísňování norem a zákonných předpisů se snížily transmisivní ztráty budov přestupem pomocí moderních stavebních materiálů. Další vylepšování tepelného odporu obvodových plášťů budovy není již tolik ekonomicky výhodné v poměru investovaných nákladů k úsporám energií, jako to bylo před revizí normy ČSN 73 0540 z roku 2002 a jejími pozdějšími změnami.

Opačným trendem je stálé zvyšování interních tepelných zátěží a nárůst spotřeby elektrické energie používáním moderních komunikačních a přístrojových technologií. Toto společně se solárním teplem z velkých prosklených ploch představuje tepelnou zátěž, která může být odváděna během dne pouze pomocí vhodných ochlazovacích opatření. O komfortní klima se staráme v létě i v zimě, proto při nastoleném trendu v mnoha případech směřuje těžiště v oblasti domovní tech­niky od vytápění budov k jejich ochlazování.

Za maximální komfort splňující nejvyšší standardy vnitřního mikroklimatu z hlediska tepel­né pohody, hluku i rychlosti proudění vzduchu a nízké spotřeby energie odpovídá systém aktivace betonového jádra (BKT). Dalšími distribučními prvky, které vyhovují těmto nárokům, jsou chladicí stropy nebo indukční jednotky, a především aktivní chladicí trámce. Každý z těchto vysokoteplotních systémů chlazení má svá specifika s klady i zápory, ale stále je jeho výhodou, že se jedná o nízkoenergetické způsoby distribuce chlazení.

Princip
Tyto systémy nahrazují teplovzdušné systémy pro chlazení a vytápění, neodpadá však výměna vzduchu, která je redukovaná na hygienické minimum podle nařízení vlády 178/2001 Sb.

Snažíme se pracovat s vysokými chladicími teplotními spády 16/20 °C (16/19 °C) a nízkými topnými teplotními spády 30/27 °C (30/28 °C), proto je vhodná kombinace s alternativními zdroji energie (např. tepelné čerpadlo či volné chlazení) nebo využití odpadního tepla, čímž se šetří primární energie. Dále se snažíme při těchto systémech maximálně využít akumulaci tepelné energie do stavebních konstrukcí. Systém aktivace betonového jádra je na tomto přímo založen, chladicí stropy využívají akumulaci prostoru a u chladicích trámců se snažíme o pasivní akumulaci do veškerých konstrukcí.

Umístění rozvodů chladu je u BKT v betonové konstrukci – na rozdíl od chladicích stropů je tento systém při náhlých změnách klimatických podmínek chráněn před vzdušnou vlhkostí. Povrchová teplota betonové konstrukce při vstupní teplotě 16 °C a Δθ = 3 °C se pohybuje nad 20 °C v závislosti na okrajových podmínkách (průtoku chladicí látky potrubím, teploty místností sousedící s konstrukcí, skladbě stropní konstrukce). U chladicích stropů jsou chladicí/otopné hady rozvodů umístěny pod stropem v sádrokartonové desce u suchého způsobu a přímo na stropě pod omítkou u mokrého. U této aplikace je nebezpečí vzdušné kondenzace, proto musí systémem měření a regulace (MaR) monitorovat vlhkost v prostoru. Dále je použití systému podmíněno užitím vzduchotechniky se základní úpravou vzduchu. Systém chladicích trámců využívá indukci vzduchu z prostoru, a tím je rovněž zabráněno vzdušné kondenzaci. U tohoto systému je nutné celoročně upravovat přívodní teplotu vstupního vzduchu z centrální jednotky asi na +15 °C. V letním období dochází při ochlazení na tuto teplotu k potřebnému odvlhčení přívodního vzduchu.

Možnosti použití
V dnešní době se tyto typy vysokoteplotních systémů používají prakticky ve všech typech bu­dov, nejčastěji však v kancelářských a správních budovách, skladovacích halách a archivech.

Systém BKT pracuje jako samoregulační a velikost tepelného toku se mění s rozdílem teplot na povrchu aktivované konstrukce a přilehlé místnosti. Zbylé dva systémy jsou regulovány množstvím protékané teplonosné látky a s využitím samoregulace v případě využívání akumulace.

Výhody systému

• nízké investiční náklady a zcela minimální provozní náklady,
• výměna vzduchu v místnosti redukovaná na minimum:

–    u kombinovaného systému se vzduchotechnikou dotvoření vnitřního mikroklimatu,
–    u samostatného provozu omezení vý­měny vzduchu až na hygienické minimum v souladu s nařízením vlády 178/2001 Sb., o ochraně zdraví na pracovišti,

• díky aktivaci akumulačních objemů možnost dimenzovat menší chladicí zařízení než u jiných systémů (systém slouží jako vyrovnávací člen a tlumí tak spotřební maxima chladu),
• možnost využití alternativních systémů zdrojů studené a teplé vody, popř. odpadního tepla,
• nižší a energeticky výhodnější teplota vody na přívodu ≤32 °C,
• nedochází k Sick Building Syndrom,
• rozložení chladicího výkonu po celé ploše chlazené místnosti,
• snížení obestavěného prostoru budovy, a tedy snížení nákladů na výstavbu.

Nevýhody systému

• nelze rychle regulovat výkon systému s ohledem na okrajové podmínky (nárůst vlhkosti, skoková změna tepelných agencií u BKT),
• není možné udržovat přesně stanovenou stálou teplotu místnosti nebo oblasti (BKT),
• po zabetonování potrubí již nelze renovovat, popřípadě regenerovat vedení a daný otopný/chladicí okruh je již nepoužitelný a dochází k výpadku výkonu,
• omezený maximální výkon chlazení/topení, v důsledku čehož by mohla na betonovém povrchu chladicího stropu kondenzovat vlhkost při chlazení nebo překročení povolených povrchových teplot při vytápění,
• volba izolace kročejového hluku – musí být s co největší propustností tepla při zachování akustických vlastností,
• pro ostatní rozvody musejí být využity povrchové úpravy (dvojitá podlaha),
• prostupy přes stropní konstrukce musejí být nachystány před betonováním stropních konstrukcí, potrubí zde neumožňuje dodatečné vytváření prostupů (BKT).

Alternativní zdroje chladu
Systémy je vhodné kombinovat s alternativními zdroji, jako jsou tepelná čerpadla, volné chlazení, využívání odpadního tepla z technologií, kombinací aktivace se zemními výměníky a energetickými pilotami a jiné.

Volné chlazení
Využívání systému volného chlazení je pro systémy vysokoteplotního chlazení výhodné především z ekonomického hlediska. Využívá skutečnost, že při teplotě venkovního prostoru nižší, než je požadovaná teplota prostředí v místnosti, lze dosáhnout přenosu tepla. Toho lze docílit jednoduchým propojením vnějšího výměníku potrubím s roztokem nemrznoucí směsi s vnitřním výměníkem tepla chladicího okruhu. Výměník je buď součástí VZT jednotky nebo chladicího zařízení, případně se jedná o samostatný výměník. Na provoz tohoto okruhu jsou vynaloženy mnohem menší energetické nároky, protože pro potřebnou výrobu chladu postačí pouze čerpací práce čerpadel primární a sekundární části a zvýšené spotřeby energie přívodního ventilátoru vzduchotechnické jednotky, případně spotřeba ventilátorů venkovních chladičů. Využití systému volného chlazení (free cooling) snižuje náklady na 10 až 15 % na rozdíl od strojního chlazení. Pokud porovnáme chladicí faktor volného chlazení se strojním chlazením, je ESEER 10krát vyšší a náklady na výrobu 1 kW chladu jsou cca 0,25 Kč/kW. Při exteriérových teplotách vyšších než 12 °C je nutno uvést do provozu kompresorové chlazení a dochlazovat budovu v kombinaci s volným chlazením. I tento provoz je úspornější než samotné kompresorové chlazení.

Při uvádění do provozu je termostat venkovního výměníku nastaven na maximální možnou venkovní teplotu pro iniciaci volného chlazení, která je běžně o 6 až 7 °C nižší, než je požadovaná teplota klimatizovaného prostoru. V přechodném období může být chlazení provozováno v částečném, ale i v plném rozsahu. Při poklesu teploty exteriéru pod nastavenou teplotní mez se na regulátoru přepne nadřazený systém měření a regulace kompresorového chlazení do režimu ekonomického chlazení.

Ztrátu na vnitřním výměníku okruhu nemrznoucí směsi a sekundárního rozvodu navrhujeme maximálně na 2 °C. Ztráta na vnějším výměníku při předávání tepla z výměníku do vzduchu je nejčastěji navrhovaná na 5 °C.

Nejekonomičtěji vychází varianta umístění venkovního výměníku ve vzduchotechnické jednotce jako předehřívače před rekuperáto­rem, kdy se sníží rozdíl teplot mezi venkovním a odváděným odpadním vzduchem z budovy. Celková bilance potřeby tepla na úpravu vzduchu v jednotce je nižší vlivem vloženého odpadního tepla při volném chlazení do předehřátí vzduchu. V tomto případě se uspoří energie na provozu ohřívače jednotky VZT. Úspora primární energie je však především na chlazení, při kterém je chladicí energie vyráběna pouze při spotřebě pro čerpadla volného chlazení a zvýšené spotřebě přívodního ventilátoru jednotky VZT.

Kombinovaný ekonomický provoz je reálný do venkovní teploty asi 17 °C, což představuje již 50 % celkových provozních hodin chlazení. Teploty nad 20 °C, při kterých je nutno provozovat kompresorové zařízení, představují pouze 23 % z celkového počtu ročních provozních hodin.

Nevýhodou tohoto systému je nutnost provozu VZT jednotky. U systému s aktivními chladicími trámci je tento provoz systému provázán s chodem VZT jednotky, tudíž se na provozu nijak neprojevuje. U systému akumu­lace do konstrukcí nelze bez chodu VZT jednotky předchladit pomocí volného chlazení ve VZT jednotce. Prakticky se řeší tato varianta tak, že je tento systém spuštěn dvě hodiny před zahájením provozu budovy, popř. v do­bě, kdy jsou vhodné klimatické podmínky.

Další nevýhodou je tlaková ztráta vloženého výměníku pro volné chlazení, která zvyšuje náklady na provoz VZT jednotky. O to důležitější je správný návrh jednotky. Často se využívá výměník s ochozem (bypassem) umístěný paralelně s výměníkem v jednotce VZT a pro letní provoz se obchoz řeší tak, aby se minimalizovaly tlakové ztráty výměníku, a při pře­chodném a zimním období se využívá volné chlazení. Při nedostatečných prostorových či výkonových možnostech je výměník integrován do jednotky bez obchozu (obr. 2)
Rozložení četnosti teplot v roce pro provoz administrativní budovy (7:00-19:00) bylo zjištěno podle meteorologických dat ČHMÚ z roku 2004 (graf 1). Z výpočtu vnitřních teplných bilancí provedených pro konkrétní administrativní budovu v Brně vyplývá, že vnitřní zisky začínají značně převládat od teploty venkovního vzduchu 0 °C. Od této teploty se musí začít chladit prostory kanceláří. Z bilancí a meteodat vyplývá, že je nutno chladit 3 802 provozních hodin ročně. Při využití volného chlazení a teplotním spádu vysokoteplotního chlazení 16/20 °C je možno chladit bez kompresorového chlazení 1 270 hodin ročně do venkovní teploty 9 °C. Při volbě klasického systému chlazení s fan-coily s teplotou chladicí vody 7/13 °C (6/14 °C) a při daných teplotních bilancích nelze využít volného chlazení a chlazení celoročně musí pokrývat strojní kompresorové chlazení.

Obr.2  Vzduchotechnická jednotka s výměníkem volného chlazení

Při snaze využít co nejefektivněji a nejúsporněji navržené systémy chlazení lze použít v přechodných podmínkách vyšších teplotních spádů 18/21 °C – pak se upraví provozní hodiny využití volného chlazení až na 1 700 hodin ročně do teploty 12 °C. Při využití volného chlazení a teplotním spádu vysokoteplotního chlazení 18/21 °C a přirozeným větráním je možno chladit bez kompresorového chlazení 2 555 hodin za rok do teploty 17 °C.

Z bilancí a meteodat ČHMU z roku 2005 vyplývá, že je nutno chladit 3 731 hodin/rok (viz graf 2). Při využití volného chlazení a teplotním spádu vysokoteplotního chlazení 18/21 °C je možno chladit bez kompresorového chlazení 1 614 hodin/rok do teploty 12 °C. Provoz volného chlazení při použití fan-coilů a upraveného teplotního spádu pro zimní a přechodové období 10/16 °C je možno chladit bez kompresorového chlazení 448 hodin/rok do teploty 3 °C.

Graf 1  Četnost hodinových teplot v roce 2004 plný výkon NTCH a FC

Graf 2  Četnost hodinových teplot v roce 2005 pro snížený výkon NTCH a FC

Tepelné čerpadlo
Rovněž pro nízké topné a vysoké chladicí teploty je vhodné jako zdroj chladicí/topné energie pro tyto nízkoenergetické systémy tepelné čerpadlo. Nedosahuje účinnosti volného chlazení, lze ho ale používat celoročně pro chlazení i vytápění.

Odpadní teplo z technologických provozů
Využití odpadního tepla je ideální pro systém, jako je aktivování konstrukcí nebo chladicí stropy ve vytápěcím režimu s nízkoteplotním vytápěním. Pro získání tepla z technologií vět­šinou slouží vodní výměníky vložené do okru­hu s odvodem odpadního tepla (kondenzáto­rový okruh zdrojů chladu, chlazení pecí atd.).

Použití tohoto zdroje bývá časté ve výrobních a přidružených skladovacích halách, počítačových sálech a administrativních budovách s celoročním kompresorovým chlazením.

U tohoto provozu je nutno provést podrobnou analýzu, zda je využití odpadního tepla rentabilní, posoudit četnost odběru tepla a jeho stálost.

Závěr
Aktivace betonového jádra (pro svou schopnost termické akumulace v betonových konstrukcích) a chladicí stropy a indukční jednotky (pro své nízkoenergetické nároky na distribu­ci) jsou výhodným řešením z ekonomického i tepelnětechnického hlediska pro použití do novostaveb i do rekonstrukcí. Požadavky u těchto systémů na stavbu s nízkými vnějšími tepelnými zátěžemi však nesplňují trend mo­derní architektury v České republice, při které je trendem navrhovat maximální prosklené plochy. Přes svůj handicap s omezeným výkonem jsou toto ideální systémy pro použi­tí v kombinaci s alternativními zdroji energie, a tím i vhodnými systémy do budoucna.

Znázorněné hodnoty v grafech dokumentují citelné snížení vstupu primární energie při použití ekonomicky výhodných systémů s volným chlazením. Tento systém přináší uživateli oproti běžným systémům s výlučně kompresorovým chladicím systémem celkovou úsporu nákladů na energii od 35 %. V závislosti na počtu pracovních hodin a na aktuálních cenách energií je možno v našich klimatických podmínkách předpokládat návratnost investic do volného chlazení od jednoho roku do čtyř let.

Pro názornost byly záměrně užity grafy četností z let 2004 a 2005 pro jiné teplotní spády. Na grafech hodinové četnosti je poměrně jednoduché si odvodit i jiné provozní stavy.

Tento příspěvek byl uveden na konferenci Progress 2012.

Ing. Vít Jevočin
Obrázky: autor

Autor působí v Ústavu technického zařízení budov na Fakultě stavební VUT v Brně.

Recenzoval: Ing. Josef Bahr, Ph.D.

Literatura a zdroje
Jevočin, V.: Aktivace betonového jádra. Diplomová práce, vedoucí práce doc. J. Hirš. Ústav technického zařízení budov, Fakulta stavební, VUT v Brně, 2008.
Český hydrometeorologický ústav, meteorologická stanice Brno – Tuřany.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.