Ohřev betonových konstrukcí a tepelná aktivace pro moderní budovy

Betonování v extrémních klimatických podmínkách představuje výzvu, která vyžaduje speciální techniky a přísady pro zajištění kvality a trvanlivosti betonu. Betonářská zima je pojem používaný ve stavebnictví pro označení období, kdy je průměrná denní teplota pod 0°C. V tomto čase je zrání a tuhnutí betonu ovlivněno nízkou teplotou a rizikem zamrznutí. Pokud klesne teplota betonové směsi pod 5°C, dochází k zastavení hydratace. V této fázi však ještě nedochází ke znehodnocení betonu.

Betonování v zimních podmínkách

Betonářská zima obvykle trvá od poloviny prosince do poloviny února v Praze, ale může se lišit v závislosti na místě a povětrnostních podmínkách. Při betonování v zimě je hlavním problémem nízká teplota, která zpomaluje hydrataci cementu a může vést k zamrznutí vody v betonu. Pokud voda v betonu zamrzne před dosažením dostatečné pevnosti, může dojít k jeho poškození.

Techniky zimní betonáže

  1. Ohřev surovin: Ve stavebním procesu by měly být suroviny (voda, písek, kámen) řádně zahřáté, aby beton měl po smíchání, přepravě a lití značné množství tepla, aby se urychlila rychlost hydratace cementu a uvolňování tepla. Pro provoz v zimě využíváme na naší betonárně ohřev záměsové vody (až 60°C), betonová směs má poté 17°C a více, hydratace cementu tak začne v obdobném čase jako během teplejších měsíců.
  2. Použití speciálních přísad: Chemické přísady, jako jsou urychlovače tuhnutí a plastifikátory, pomáhají zrychlit hydrataci a snižují množství vody potřebné v betonu. Neexistuje často poptávaná přísada "proti mrazu", všechny používané nebo dostupné přísady pouze podporují hydrataci cementu nebo odpuzují nadbytečnou vodu z uloženého betonu v kratším čase. TIP: Urychlovače ISOXEL vám pomůžou s betonáží v chladném počasí.
  3. Ochrana čerstvého betonu (posílení izolace): V průběhu výstavby je nutné posílit tepelnou ochranu betonu, aby nově litý beton měl dostatečnou nemrznoucí schopnost před poklesem teploty na 0 stupeň, zamezit promrzání rohů a exponovaných ploch, a prodloužit dobu vytvrzení. Ošetřování betonu je velmi důležité a první 2-4 dny zcela zásadní pak na celkovou životnost.
  4. Vyhřívání bednění: Elektrické nebo parní vyhřívání bednění zajišťuje rovnoměrné vytvrzení betonu.

Metody ohřevu betonu

K vytápění betonu se nejčastěji používají dva hlavní způsoby:

1. Způsob akumulace tepla

U betonových konstrukcí v zimě, pokud je teplota kolem -10 stupňů a pokud je konstrukce poměrně silná, je nejlepší zvolit pro stavbu způsob akumulace tepla. V zimních betonových konstrukcích vyžaduje regenerační metoda relativně jednoduchý proces, snadnou obsluhu a relativně nízké náklady. Je to ideální zimní betonová stavební metoda.

2. Způsob vnějšího vytápění

Metoda externího vytápění je vhodná především pro projekty, kde je teplota nad -10 stupňů a komponenty nejsou velké. Metoda vnějšího ohřevu spočívá v ohřevu vzduchu kolem betonového prvku, přenosu tepla do betonu nebo přímém ohřevu betonu, takže beton může normálně tvrdnout za normálních teplotních podmínek. V procesu výstavby zahrnují metody vnějšího vytápění především následující:

Čtěte také: Bezpečná praxe: Ohřev jídla v mikrovlnné troubě

  • Vytápění v kamnech: Ačkoli je provoz ohřevu pece relativně jednoduchý, často nedokáže výrazně zvýšit teplotu a je relativně suchý. Uvolňovaný oxid uhličitý zároveň zuhelnatí povrch nově litého betonu, což do určité míry ovlivní kvalitu projektu.
  • Parní ohřev: Tento způsob ohřevu je také relativně snadno ovladatelný a teplota ohřevu je relativně rovnoměrná. Avšak náklady jsou poměrně vysoké a je zapotřebí speciální vybavení kotle, a tepelné ztráty jsou velké.
  • Elektrické topení: Jako elektrody mohou být použity ocelové tyče nebo elektrické ohřívače na povrchu betonu. I když je tato metoda relativně jednoduchá na obsluhu, je snadné spotřebovávat elektrickou energii a nebezpečí je během stavebního provozu poměrně vysoké. Tato technika spočívá ve skutečnosti, že teplo v betonu se uvolňuje v důsledku přímého průchodu elektrického proudu. Nejčastěji se tato technika používá, když potřebujete ohřát stěny. V některých případech také vhodný pro podlahy, kdy není možné použít topnou smyčku. Proces napájení elektrod a smyček (tj. ohřívacích prvků) se provádí za použití stupňovitého transformátoru.

Kromě výše uvedených tří aspektů ohřevu lze metodu infračerveného ohřevu použít také k ohřevu betonu vysokoteplotním elektrickým ohřívačem nebo plynovým infračerveným generátorem.

3. Smíchaný s nemrznoucí metodou

Metoda nemrznoucích přísad se používá hlavně v betonových konstrukcích při teplotách nad -10 stupně. Zmrazovací prostředek, takže beton je stále v kapalné fázi při záporné teplotě, hydratace může pokračovat, takže pevnost betonu stále roste.

4. Upravte poměr míchání

Způsob úpravy míchacího poměru betonové konstrukce v zimě je hlavně pro betonové konstrukce při teplotě asi 0 stupňů. Během procesu výstavby je třeba provést následující hlavní body:

  • Pro výběr vhodné odrůdy cementu: Výběr vhodných odrůd cementu je důležitým prostředkem ke zlepšení mrazuvzdornosti betonu. Podle stavebních zkušeností by měl být použit portlandský cement rané pevnosti. Hydratační teplo cementu je proto poměrně velké. A síla uvolnění je nejvyšší v rané fázi. Hlavním cílem je zabránit zamrznutí nově položeného materiálu kolem výztuže. U nás je samozřejmostí v zimě použití čistého cementu CEM I 52,5R, na naší provozovně pak máme v zimě také CEM I 52,5RFT Thomas Group (velmi rychlý nárůst hydratačního tepla i v nízkých teplotách).

Výhody a rizika zimní betonáže

Zimní betonáž nabízí možnost pokračování stavebních prací i v chladných měsících a díky pomalejšímu vytvrzování může vést k vyšší kvalitě betonu a minimalizaci smršťovacích trhlin. Na druhou stranu s sebou nese rizika zamrznutí betonu, vyšší náklady na ohřev materiálů a ochranu a nutnost pečlivého plánování a kontroly teploty.

Tepelná aktivace betonového jádra (TABS/BKT)

Tepelná aktivace konstrukcí budovy je způsob vytápění, který se začal využívat ve 30. letech 20. století. V současné době se namísto kovových trubek využívají PEX hadice (ze zesíťovaného polyetylenu), takže odpadá problém s korozí a netěsností spojů. Koncepci systému je nutné ale dobře navrhnout už ve fázi projektu a přizpůsobit tomu i samotnou budovu, další technologie a způsob provozování budovy. TABS dnes nalézá uplatnění hlavně v kompaktních budovách s nízkými tepelnými ztrátami a malými tepelnými zisky.

Čtěte také: Klíč k trvanlivosti betonu v zimě

Princip a výhody TABS/BKT systémů

Systém tepelné aktivace konstrukce (v angl. TABS - thermally activated building systems; nebo též CCA - concrete core activation, v němčině pak BKT - Betonkernaktivierung) je systém pro vytápění a chlazení zabudovaný do podlah či stropů budov. Systém se skládá z trubek různé konstrukce integrovaných v betonových vrstvách konstrukce stropu. Skrze trubky potom proudí teplonosná látka (např. voda), která se stará o tepelnou výměnu mezi betonovou deskou (a následně místností) a zdrojem tepla/chladu (např. kotel/chladicí rozvod).

Princip systému BKT je založen na efektu kostela. Celý vtip je založen na schopnosti přirozené akumulace tepla silných betonových či kamenných stěn. Stejně tak ale funguje i BKT. Do nosných stropních betonových konstrukcí, obvykle 25 cm silných, se vkládá potrubí, které má za úkol odebírat nebo předávat betonovému masivu teplo. Naakumulované teplo je pak následně předáno do místnosti. Potrubím proudí podle potřeby chladicí nebo teplonosná látka. Celý systém je nízkoteplotní, a tak může využívat nízkoteplotní zdroje energie, jako jsou např. tepelná čerpadla, proto je systém BKT symbolem vysoce hospodárného provozu. Pro ilustraci v letním období bývá přívodní teplota vody 16 °C a v zimním 31 °C. Nejdůležitější je eliminovat riziko kondenzace vlhkosti na povrchu stropní desky, což je odvislé od rosného bodu v daném období.

Projekty, které v poslední době využívají systému BKT, jsou navrhovány s maximální ohleduplností k životnímu prostředí a vytvoření přijímaného vnitřního klimatu. K tomu je právě sálavý způsob vytápění a chlazení nejvhodnější, protože nevytváří průvan, nečekané teplotní rázy a nevíří prach.

Oproti konvenčním přístupům k chlazení a vytápění lze u TABS, díky velké tepelné kapacitě betonové konstrukce a velké ploše, která je využita k přestupu tepla/chladu do jednotlivých místností, využít i nízkých teplot otopné vody resp. vyšších teplot pro chlazení k zajištění dostatečného tepelného komfortu. Pro případ vytápění lze použít nízkoteplotní zdroje s teplotou jen do 35 °C (například u tepelných čerpadel lze tuto výstupní teplotu získat s velmi příznivým topným faktorem COP), ale je možné uvažovat i o využití odpadního tepla nebo jiných zdrojů tepla. Aktivní využití rovněž vede k tomu, že lze posouvat (a to i až o několik hodin) dodávku tepla do betonové konstrukce. Toho se s úspěchem využívá zejména ke snížení odběrových špiček (např. v noci je primárně nízkoteplotní odběr TABS s vysokým COP, přes den odběr vzduchotechniky na vyšších teplotách s nižším COP), nebo k demand-response aplikacím (kdy je spotřeba řízena pomocí nějakého cenového signálu). Pokud se jedná o budovu, která má získat některou z forem energetické certifikace, lze za demand-response získat zajímavou bonifikaci. Z pohledu investičních nákladů je TABS zajímavý tím, že není třeba budovat podhledy a tak lze do určité výšky budovy vměstnat více pater. TABS je navíc už sám o sobě koncovým prvkem, kterým je možné jak vytápět, tak i chladit a nepotřebuje tak další přídavné prvky pro vytápění či chlazení. Povrchové teploty TABS jsou velmi blízké teplotě prostoru. Malé teplotní rozdíly a vyšší podíl sálavé složky jsou lidmi vnímány příznivěji (v porovnání s koncovými prvky sdílejícími teplo převážně prouděním vzduchu).

Systémy BKT od firmy REHAU

Společným přispěvovatelem pro dosažení rovnováhy mezi energetickou náročností a kvalitním vnitřním prostředím je systém BKT, čili systém vytápění a chlazení nosných betonových konstrukcí od firmy REHAU. Systém BKT stojí zcela jistě před svým masovějším rozšíření v České republice, protože poptávka po projektech, jejichž společným jmenovatelem je nízká energetická náročnost, u nás každým rokem stoupá. A není ani s podivem, že se čím dál více prosazuje také u staveb rodinných domů.

Čtěte také: Jak prodloužit koupací sezónu bazénu

Pro temperování betonových konstrukcí se používají dva základní systémy:

  1. Systém BKT: U kterého je potrubí uloženo uprostřed betonové desky, to znamená mezi horní a spodní armovací rohož, přičemž překrytí trubky je ≥ 100 mm. tj. změna teploty povrchu je asi 1 °C za hodinu. Základem je vždy prefabrikovaný modul (připravený již ve výrobě), na kterém je upevněno osvědčené potrubí RAUTHERM S o průměru 17, resp. 20 mm při rozteči 15 cm v jednoduchém nebo dvojitém meandru. Trubka je vyráběna ze zesítěného polyetylenu PE-Xa a spojována metodou násuvné objímky, která je nejbezpečnější. Právě odolnost a současně pevnost potrubí či spojů je v těchto případech velmi důležitá vzhledem k okolnostem a provozu na stavbě. Topný nebo chladicí výkon vždy záleží na konkrétních parametrech a požadavcích, a pohybuje se obvykle směrem dolů při chlazení okolo 37 W/m2, resp. 32,3 W/m2 u vytápění.
  2. Systém oBKT: Na rozdíl od předchozí varianty upřednostňuje výkon a rychlost předávání tepla. V těchto případech je proto potrubí s moduly umístěno asi 17 mm pod spodní výztuží stropní betonové konstrukce. Je tedy blíže spodní hrany betonového jádra. Do modulů se instaluje potrubí RAUTHERM SPEED (samozřejmě opět z materiálu PE-Xa) o průměru 14 mm v rozteči 7,5 nebo 15 cm. Vždy ve dvojitém meandru, který teplo lépe rozloží po ploše. A 47,2 W/m2 u vytápění.

Před vlastní betonáží stropní desky se moduly propojí potrubím s rozdělovači a následují optické a samozřejmě tlakové zkoušky. Každý projekt je individuální a je odvislý od mnoha parametrů včetně velikosti a půdorysu stropní konstrukce. Velmi důležitý je pochopitelně odborný návrh na rozmístění modulů včetně uzlových bodů (rozdělovačů).

Regulace TABS systémů

Jako velký problém se ale ukazuje i samotná regulace, u které je nutné vhodným způsobem dávkovat výkon rozložený v čase tak, aby nedocházelo k nechtěnému přetápění nebo nedotápění budovy. V případě diskomfortu totiž nelze „rychle“ (kvůli velké tepelné setrvačnosti betonové konstrukce) zajistit opětovné dosažení komfortu. Komplexní úlohu prediktivního řízení TABS realizujeme pomocí prediktivního regulátoru (MPC z angl. Model Based Predictive Control), s nímž lze plánovat dodávku energie dopředu. MPC totiž funguje tak, že regulátor má k dispozici dynamický model systému, který řídí a na základě modelu je schopný předvídat chování reálného systému v blízké budoucnosti (například den dopředu).

Ke správné předpovědi budoucího vývoje systému je rovněž nutná znalost vnějších vlivů, které ovlivňují spotřebu - zejména venkovní teploty a slunečního osvitu. Výsledkem potom je, že ve srovnání s tradičním typem reaktivního řízení, které se běžně používá (například s využitím PID regulátoru), zde dochází k akčním zásahům již v delším předstihu (proto také prediktivní regulace) a může být tak dosaženo lepší kvality řízení. S tím potom souvisí i rozložení akčních zásahů (energie chlazení/vytápění) v čase přesně tak, jak je třeba v případě řízení TABS.

Pro nastavení MPC regulátoru je třeba vždy nejdříve matematicky formulovat cíle řízení, tj. zvolit tzv. kriteriální funkci, se kterou bude algoritmus MPC pracovat. Volba vhodné kriteriální funkce ale není úplně triviální, navíc ne každá formulace kriteriální funkce je vhodná pro použití v oblasti řízení budov. Volba závisí nejen na tom, které parametry chceme řídit (například minimalizovat cenu chlazení, zachovat určité komfortní teploty atd.), ale je také třeba správně nastavit váhy u jednotlivých členů funkce (zastupujících výše zmíněné různé parametry řízení).

Experimentální model MiniTABS

Článek popisuje možnosti využití systémů tepelné aktivace betonového jádra pro vytápění a chlazení budov. Dále se zabývá problematikou regulace takových systémů. V poslední části se věnuje popisu vytvoření experimentálního modelu s tepelnou aktivací betonového jádra, který slouží k testování různých přístupů k řízení způsobu dodávání energie pro chlazení či vytápění.

MiniTABS se skládá z nosné dřevěné konstrukce (d/š/v 2,7 × 1,65 × 1,5 m, plocha 4,46 m2), na které se nachází betonová deska TABS. Výška tohoto betonového TABS panelu je 18 cm. Dřevěná konstrukce je tepelně izolována minerální vlnou (ve skladbě podlahy) a extrudovaným polystyrenem (z vnější strany - stěny, střecha). MiniTABS sice nemá okna, v konstrukci se ale nachází přímotop (Sencor SCF 2003 s maximálním výkonem 2 kW), kterým je možné spojitě simulovat různé sluneční zisky. Tím je možné testovat tepelnou dynamiku místnosti nejen v souvislosti s vlivem chlazení, ale i tepelnými zisky, které v praxi nejsou zanedbatelné. Model je osazen senzory, které měří teplotu betonového jádra v několika vrstvách, teplotu vzduchu v místnosti (v různých výškách), povrchové teploty jednotlivých stavebních prvků, hustoty tepelného toku na vnitřních površích stavebních prvků, teplotu chladicí a vratné vody.

Algoritmy řízení jsou implementovány na serveru v prostředí MATLAB. Komunikace s PLC, které pomocí PID regulátoru řídí otevření třícestného ventilu a tím i tepelný výkon do mini TABS, je realizována přes RcWare PLC proxy, které zároveň umožňuje i komunikaci s MATLABem a databází (Mervis DB, ukládání historických dat). Celý proces je možné vizualizovat přes SCADA (Mervis SCADA).

V současné době na MiniTABS testujeme několik různých formulací kriteriální funkce MPC řízení, které zahrnují například cenu dodané energie, zachování komfortní teploty, kvalitu řízení, vyhlazenost akčních zásahů, a další parametry. Díky miniTABS se postupně daří ukazovat na praktickém příkladu problémy některých těchto formulací kriteriální funkce MPC řízení, často i publikovaných v odborných periodikách.

Praktické příklady

V roce 2018 byla v Kanadě realizována výstavba mostu v extrémních zimních podmínkách. Použitím vyhřívaného bednění a speciálních přísad se podařilo dosáhnout požadované pevnosti betonu i při teplotách pod -10 °C.

Jeden z aktuálně realizovaných projektů je rekonstrukce stávajícího objektu a dostavba knihovny FSV UK Praha v pražských Jinonicích. Nový areál čtyřpodlažní knihovny byl vytvořen s pomocí prostorové příhradové ocelové konstrukce doplněné průvlaky a stropními trámy, na kterých jsou umístěny železobetonové stropní desky s instalovaným oBKT systémem REHAU. Primárním zdrojem tepla jsou tepelná čerpadla umístěná v původní budově. Sekundárním zdrojem jsou pak plynové kotle. Celková podlahová plocha knihovny má 2000 m2. S cílem maximálně využít a upřednostnit využití všech přirozených zdrojů (tepla i světla) bude budova osazena např. s cílem usnadnit uživatelům používat naše webové stránky využíváme cookies. Používáním našich stránek souhlasíte s ukládáním souborů cookie na vašem počítači / zařízení.

Naopak v Dubaji bylo při stavbě mrakodrapu Burj Khalifa nutné betonovat při teplotách přesahujících 40 °C. Použitím kapalného dusíku k chlazení směsi a nočním betonováním se podařilo minimalizovat rizika spojená s horkým klimatem.

tags: #co #je #ohrev #betonovych #konstrukci

Oblíbené příspěvky: