Aktivace betonového jádra: Udržitelné řešení pro vytápění a chlazení budov

V případě zabezpečení příjemných vnitřních teplot v komplikovaném prostředí, jako jsou moderní budovy, je třeba zvolit inovativní řešení. To se v projektování zelených budov 21. století projevuje i jako jistý odklon od konvenčních systémů jako hlavního řešení zabezpečení vnitřní teploty a naopak integrování TABS prvků (Thermally Active Building Systems) - tepelně aktivních systémů budov - nebo systémů aktivace betonového jádra. Tyto systémy jsou mnohem efektivnější z hlediska nákladů i energie než konvenční systémy.

Co je to aktivace betonového jádra (BKT/TABS)?

Systém tepelné aktivace konstrukce (v angl. nazývaný 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. Jeho základní princip spočívá v akumulaci tepla a chladu v masivních betonových konstrukcích (přibližně 25 cm) prostřednictvím systému umístěného ve stropní konstrukci před betonáží (při navrhování může být systém pro optimální nastavení umístěn i do podlah případně stěn).

Základním konceptem, který je třeba pochopit o aktivaci betonového jádra, je, že systémy využívají stávající hmotu budovy pro akumulaci tepelné energie, místo aby vyžadovaly další instalační prostor pro osazení konvenčního HVAC systému, jako jsou např. potrubí pro centrální klimatizaci.

Celý systém je umístěn přímo v betonové desce stropu. Potrubí PE-Xa, které je za tímto účelem instalováno má živostnost 50 let při tlaku 6 bar a teplotě 80 °C. Obvyklé teploty při vytápění se pohybují do 35 °C a tlak je obvykle do 3 bar, na které jsou nastaveny pojistné ventily. Celý systém prochází tlakovou zkouškou po dokončení instalace a před litím samotného betonu. Po celou dobu betonáže je systém pod tlakem, aby bylo možné odhalit případné mechanické poškození.

Systém se skládá z trubek různé konstrukce integrovaných v betonových vrstvách konstrukce stropu. Skrze trubky potom proudí teplonosná látka (např. voda), které se stará o tepelnou výměnu mezi betonovou deskou (a následně místností) a zdrojem tepla/chladu (např. kotel/chladicí rozvod). V současné době se namísto kovových trubek využívají PEX hadice (ze zesíťovaného polyetylenu), takže odpadá problém s korozí a netěsností spojů.

Čtěte také: Vlastnosti suchého buku

Systémy aktivace betonového jádra obecně fungují tak, že aktivují hmotu budovy a využívají vlastních charakteristik vytápění a chlazení stavebního materiálu k uskladnění tepelné energie. Chladicí nebo otopná voda cirkuluje potrubím, které je instalováno do konstrukce betonové desky. Systém aktivace betonového jádra je tak skrytý a bezhlučný.

Jak funguje aktivace betonového jádra?

Chladicí nebo otopná voda cirkuluje potrubím Uponor, které je instalováno do konstrukce betonové desky. Řešení Uponor TABS Contec je navrženo tak, aby zvládalo pokrýt požadavky na chlazení nebo vytápění pro budovy se základním tepelným zatížením. Udržuje trvale příjemné vnitřní klima - nezávisle na letním nebo zimním období. V létě se strop v noci ochlazuje, poté může absorbovat teplo z budovy během dne - v kancelářských budovách je tak udržováno konstantní a produktivní pracovní prostředí.

Vlivem průměrné provozní teploty vody (18-⁠28 °C) si systém vyžaduje pouze nízkou spotřebu energie. To umožňuje energeticky účinné využití obnovitelných zdrojů energie a tím jsou výrazně sníženy náklady na provoz a údržbu. Systém aktivace betonového jádra se používá u objektů s vysokou tepelně izolační kvalitou obálky budovy. Využívá se velké tepelné kapacity betonové konstrukce a velké plochy použité k přestupu tepla nebo chladu do místností.

Jedná se o systém nízkoteplotního vytápění (teplota topné vody do 35°C) a vysokoteplotního chlazení (teplota chladící vody neklesá pod 18°C). Cílem aktivace betonového jádra je udržet betonovou konstrukci budovy v konstantní teplotě. Teplonosná látka, která se stará o tepelnou výměnu mezi betonovou deskou (místností) a zdrojem tepla/chladu, proudí v trubkách, které jsou součástí betonové konstrukce. Výsledkem jsou povrchové teploty v místnostech velmi blízké teplotě prostoru. Tím, že se jedná o sálavý systém, lidské tělo ho vnímá lépe než konvekční systém vytápění.

Stavebně je systém zhotoven tak, že se již při armovacích pracích a přípravě betonáže instalují plastové trubky do prostoru pro betonovou hmotu - připevněním k nosným prvkům. Následuje betonáž, kdy se systém trubek zalije do hmoty. V provozu potom celý systém funguje obdobně jako plošné sálavé systémy. Celkový výsledný efekt je jednak ve vyrovnání teplotních výkyvů ve vnitřním prostředí a nastavení komfortní teploty, jednak v úsporách energie.

Čtěte také: Vše o 3m terasových prknech

Teplo se šíří dvěma způsoby a to prouděním a sáláním. Při proudění teplo stoupá vzhůru, ale při sálání se teplo šíří od zdroje všemi směry rovnoměrně stejně jako světlo. Teplý povrch stropu osálá okolní plochy a všechny společně potom předává teplo do prostoru. Výsledkem osálání ostatních povrchů je teplá podlaha a člověk tak při kontaktu s povrchem podlahy pociťuje stejný komfort jako u podlahového vytápění. Povrchová teplota podlahy je totiž pouze o 1 K nižší než povrchová teplota podlahy.

Pro temperování betonových konstrukcí se používají dva systémy od firmy REHAU:

  • BKT: Potrubí je uloženo uprostřed betonové desky, mezi horní a spodní armovací rohož. Upřednostňuje akumulační efekt, s relativně pomalou reakcí (cca 10 W/m2h, změna teploty povrchu cca 1 °C za hodinu). Základem je prefabrikovaný modul s potrubím RAUTHERM S (PE-Xa) o průměru 17 nebo 20 mm s roztečí 15 cm v jednoduchém nebo dvojitém meandru.
  • oBKT: Upřednostňuje výkon a rychlost předávání tepla. Potrubí s moduly je umístěno cca 17 mm pod spodní výztuží stropní betonové konstrukce, blíže spodní hrany betonového jádra. Do modulů se instaluje potrubí RAUTHERM SPEED o průměru 14 mm v rozteči 7,5 nebo 15 cm, vždy ve dvojitém meandru. Výsledkem je vyšší chladicí výkon (62 W/m2) a vytápění (47,2 W/m2).

V administrativních budovách je možné využít kompletní betonovou konstrukci jako úložiště tepla nebo chladu. Jedná se o systém contec, kdy je instalováno potrubí na střed betonové desky. Odezva systému je v tomto případě výrazně delší (řádově v hodinách) a je vhodné ho využít pro snížení výkonu zdroje chladu a pro vytvoření sálavého pocitu tepla resp. chladu. Celý systém je umístěn přímo v betonové desce stropu.

Systém Uponor contec ON je instalován ve speciálních plastových rohožích, které zajišťují přesnou polohu potrubí s ohledem na instalovanou hloubku a rozteč potrubí. Contec ON je instalovaný pod spodní výztuž. Pokud je stropní konstrukce vytvořena z litého betonu, pak se jako vhodná varianta jeví instalace potrubí přímo do stavební konstrukce. Takto instalované potrubí je schopno zajistit jak vytápění tak chlazení ve všech typech budov. Stropní systém je schopen zajistit plné pokrytí tepelných ztrát, nebo kompenzovat tepelnou zátěž, nebo může být instalováno pouze pro vytvoření sálavého vnímání teploty.

Výhody systémů aktivace betonového jádra

Hlavní výhodou při využití této technologie je ekonomika a efektivita provozu. BKT dokáže vytvořit optimální tepelnou zátěž na m2 při správném navržení architektury objektu a nastavení samotné technologie. Výhodou systému je jeho efektivita a komfort pro uživatele budov.

Čtěte také: Typy a rozměry revizních šachet

  • Komfort pro uživatele: Sálavé vytápění a chlazení nezpůsobují teplotní rázy, jaké můžeme zažít u klasických klimatizačních systémů, a zároveň minimalizují víření prachu.
  • Energetická úspora: Významnou roli hraje energetická úspora. Systémové teploty rovněž umožňují optimální využívání obnovitelných energií. Proto se jako zdroj tepla nebo chladu v první řadě doporučují tepelná čerpadla voda/voda a reverzibilní tepelná čerpadla pro chlazení a vytápění.
  • Ekonomické výhody: Celoplošné vytápění a chlazení BKT přináší nejen ekonomické výhody (jednoduché zabudování, nízké investiční náklady, udržitelnost, využívání obnovitelných zdrojů), ale také designový bonus.
  • Designový bonus: Technologie je ukryta v konstrukci stropu, což znamená, že nezabírá žádný další prostor. To je výhodou jak pro developery, tak i uživatele.
  • Vysoká účinnost: Fyzikální vlastnosti vody umožňují řešením sálavého chlazení odstranit úměrné množství tepelné energie s použitím méně než 5 % energie, kterou by spotřeboval ventilátor v běžném HVAC systému. Protože voda dokáže pojmout větší množství energie na danou jednotku než vzduch, vyžaduje relativně menší množství energie k přečerpání stejného množství energie. Tímto způsobem jsou provozní náklady systémů sálavého chlazení výrazně sníženy v porovnání s konvenčními systémy HVAC, zejména v průmyslovém měřítku.
  • Využití tepelné setrvačnosti: 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).

Regulace a projektování systémů BKT/TABS

Podmínkou správné funkce je správný návrh včetně prediktivního regulačního systému. Regulační systém musí předvídat potřebný výkon topení/chlazení rozložený do časové osy alespoň den dopředu. Je nutno zmínit i fakt, že vlivem velkých objemů a hmotností stavebních prvků bude systém reagovat se zpožděním a tomu je třeba přizpůsobit regulaci. Nicméně systém je výhodný i z hlediska přenosu tepla či chladu. Důvodem je skutečnost, že pro vyšší tepelnou kapacitu je voda vhodnějším mediem než vzduch.

Zásadním faktorem pro efektivní provoz budovy s BKT systémem je kvalita projektu. Moderní architektura by měla zohledňovat preventivní opatření, aby se budova v létě nepřehřívala a v zimě maximálně využila přirozené tepelné zisky ze slunce. 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.

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.

Možnosti využití

Systém temperování lze v podstatě použít téměř ve všech typech budov. Průmyslových, kancelářských, skladech, halách prodejních center, ale i rodinných a bytových domech. Zejména u posledně jmenovaných je třeba mít na zřeteli omezené možnosti regulace jednotlivých místností, nebo podlaží. Mohou to být vícepatrové budovy nemocnic, škol, bank, autosalonů, muzeí atp.

V praxi je TABS buď hlavním systémem pro vytápění a chlazení, případně jako jeho doplněk a snižuje tak náklady na investice a provoz.

Příklady dobré praxe

Mateřská škola v Semilech

Velmi zajímavým příkladem dobré praxe je novostavba MŠ pro 110 dětí v Semilech (architekt a generální projektant Marek Topič ze studia MTA). Budova splňuje parametry energeticky pasivního standardu a udržitelnosti. Objekt je tepelně stabilizován systémem stropního chlazení a topení.

  • Konstrukce: Objekt je založen na základových pasech a patkách s oboustranně pnutou základovou deskou. Svislé nosné konstrukce tvoří železobetonové monolitické sloupy a stěny, které jsou po obvodu doplněny o ocelové sloupy. Strop je navržen jako železobetonová monolitická obousměrně pnutá deska, po jejímž obvodu je navržena vykonzolovaná markýza.
  • Osvětlení: Osvětlení zajištěné celoobvodovou prosklenou fasádou doplňují 2 velké světlíky a 41 světlovodů.
  • Zdroje energie: Zdrojem tepla pro vytápění je tepelné čerpadlo vzduch-voda a plynový kondenzační kotel (uvažovaný poměr pokrytí TČ 75 %, plynový kotel 25 %).
  • Větrání: Řízené větrání zabezpečují dvě centrální vzduchotechnické jednotky s rekuperací tepla.
  • Stínění: Stínící rolety redukují nežádoucí solární tepelné zisky v letním období.

Centrála banky ČSOB

Centrála banky ČSOB využívá aktivace betonového jádra pro vytápění a chlazení. Celá budova je vybavena kombinací systémů Contec a Contec ON. V blízkosti fasády je instalován systém Contec ON a ve středu budovy je instalován systém Contec. Nová budova centrály splňuje nejvyšší ekologické standardy v souladu s mezinárodní certifikací LEED Platinum. Zdrojem tepla jsou tepelná čerpadla s celkem 173 vrty s hloubkou 150 m. Samotná budova se skládá z několika „samostatných“ budov, které jsou spojeny centrálním atriem.

NTK Praha

V případě stavby NTK Praha se technické řešení TZB stalo ze strany projekční kanceláře PBA Prague zcela unikátní, a to nejen v měřítku České republiky. Systém BKT se poprvé instaloval do obousměrně předpínaných betonů, což kladlo extrémní důraz na koordinaci na stavbě, protože veškeré potrubí bylo nutné pokládat ručně, nikoliv standardním modulovým provedením. Celkem bylo instalováno bez mála 50 km potrubí na celkové ploše přesahující 10 000 m2. Stejně unikátním technickým řešením se pro stavbu stalo podlahové vytápění, které bylo poprvé v České republice instalováno se speciální asfaltovou pochozí vrstvou.

Kvalifikovaný topenář Zdeněk Paděra, držitel osvědčení o profesní kvalifikaci dle zákona 406/2000 Sb., provádí montáže systémů TABS.

Historie tepelné aktivace konstrukcí

Tepelná aktivace konstrukcí budovy je způsob vytápění, který se začal využívat ve 30. letech 20. století. Ve Spojených státech tento systém prosazoval architekt Frank Lloyd Wright, když při stavbě tzv. Usonian buildings vkládal do konstrukce podlahy kovové potrubí, jež sloužilo k sálavému vytápění objektu. V Evropě se mezitím začal rozšiřovat systém Crittall [1], který fungoval na stejném principu. Po válce u nás postupně docházelo k nevhodnému nasazování tohoto způsobu vytápění i do budov s lehkým obvodovým pláštěm a velkými solárními zisky, kde tato kombinace byla odsouzena k neúspěchu.

tags: #vaha #betonoveho #jadra

Oblíbené příspěvky: