Aktivace betonového jádra: Efektivní řešení vytápění a chlazení budov

V současné době je kladen mimořádně velký důraz na provozní náklady objektů. Platí to dvojnásob, jedná-li se o prostory náročné na vytápění a chlazení z hlediska jejich velikosti, jakými jsou například různé průmyslové haly. 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.

Co je systém aktivace betonového jádra (TABS)?

Systém tepelné aktivace konstrukce (v angl. nazývaný TABS - thermally activated building systems, takto jej budeme označovat i dále v textu; 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), které se stará o tepelnou výměnu mezi betonovou deskou (a následně místností) a zdrojem tepla/chladu (např. kotel/chladicí rozvod).

Systémy aktivace betonového jádra obecně fungují tak, že aktivují hmotu budovy a využívají vlastních charakteristik vytápění a chlazení stavebního materiálu k uskladnění tepelné energie. 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 - v moderních vícepatrových budovách by to byl například prostor mezi podlahou (např. zdvojená podlaha) a stropem konstrukce.

Princip spočívá ve využití akumulační schopnosti betonového jádra a to jak pro vytápění, tak pro letní vysokoteplotní chlazení. Chladicí nebo otopná voda cirkuluje potrubím, které je instalováno do konstrukce betonové desky. Systém aktivace betonového jádra je tak skrytý a bezhlučný. V létě se konstrukce v noci ochlazuje, poté může absorbovat teplo z budovy během dne - v kancelářských budovách je tak udržováno konstantní a produktivní pracovní prostředí.

Čtěte také: Dřevěné hranoly a trámy - výpočet nosnosti

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.

Historie TABS systémů

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, 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.

Výhody a omezení aktivace betonového jádra

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).

Čtěte také: Řezivo a jeho kubatura

V podstatě se dá říci, že do průmyslového prostředí s sebou přináší veškeré výhody podlahového vytápění/chlazení z rodinných domků. Především se jedná o velmi úsporný a efektivní systém předání energie do prostoru, kdy systém využívá nízké provozní teploty - ideálně v kombinaci s alternativními zdroji. Skvělé ale je, že můžeme do podlahy pustit i teplo z elektrokotle či plynového kotle. Velmi ceněnou vlastností je také nízká rychlost proudění vzduchu bez víření prachu.

Ve výrobních halách umíme pracovat s odpadním teplem, u skladovacích hal zase můžete regály stavět až ke stropu, protože pod střechou nemáte zavěšeny žádné jednotky. Nikde vám nepřekáží otopná tělesa, vše je instalováno do betonové desky. S podlahovým vytápěním souvisí další úspora spojená s náklady na údržbu. Servisujete jen jeden zdroj tepla a nemusíte pravidelně lézt pod stropem k několika zavěšeným jednotkám. A potrubím v podlaze se dá velmi dobře topit i chladit!

Vzhledem k velkým teplo-směnným plochám stropů a/nebo stěn vybavených systémem TABS jsou teplotní rozdíly mezi povrchem konstrukčního dílu a vzduchem v místnosti velmi nízké. S ohledem na teplotu vody tedy systém funguje v režimu vysokoteplotního chlazení nebo nízkoteplotního vytápění. Systémové teploty rovněž umožňují optimální využívání obnovitelných energií.

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. 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. Protože voda dokáže přenést větší množství energie na danou jednotku než vzduch, vyžaduje tím pádem menší množství energie potřebné pro transport stejného množství energie s pomocí vody.

Použití aktivace betonového jádra

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.

Čtěte také: Vzorce pro výpočet objemu dřeva

Systém aktivace betonového jádra je efektivní i pro průmyslové plošné vytápění/chlazení. Tento systém vytápění průmyslových ploch přináší majitelům a provozovatelům objektů značné úspory. Stropní vytápění s trubkami zalitými ve stropě se vyznačuje tím, že trubky 3/8", 1/2" nebo 3/4" jsou přímo součástí stropní konstrukce. Při kladení trubek přímo do betonu se jedná o starý způsob provedení (Crittall).

Návrh a realizace TABS systémů

Klademe velký důraz na počáteční diskuze. Nasloucháme potřebám zákazníka a od nich odvíjíme celou koncepci. Proto se v našich službách objevují konzultace, studie proveditelnosti a všechny stupně projektové dokumentace. Abychom ohlídali správné provedení a použití správných materiálů, nabízíme i samotnou realizaci. Je zapotřebí pečlivě a odborně zvážit všechny podklady, samozřejmě ve spolupráci s projektanty budovy, vytápění resp. statikem.

To, jaký systém vytápění, popř. chlazení využije pro svůj objekt, by měl investor začít řešit hned na začátku projektu. Bohužel se často setkávám s tím, že investor nedostane dostatečné informace o tom, jak se dá jeho budova vytápět, popř. i chladit a je nasměrován na jedno řešení. Pro odbornou veřejnost není snadné přijmout fakt, že se dá podlahovka použít do průmyslového prostředí.

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.

Celý systém je umístěn přímo v betonové desce stropu. Potrubí PE-Xa, které je za tímto účelem instalováno má životnost 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.

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.

Pokud jsou trubky jen v omítce stropu, je celé provedení jednodušší. Nejdříve se postaví strop, na který se zespodu upevní otopný had. Rabicové pletivo slouží k lepšímu uchycení vápeno-cementové malty. Celá vrstva od nosného stropu tak tvoří pouhých 5 až 6 cm. Celá montáž se ještě zjednoduší použitím povlakovaných měděných trubek či trubek plastových.

Například pojezdovost podlahy. Zde žádná omezení nejsou, podlaha snese klasické zatížení od vysokozdvižných vozíků nebo nákladních vozidel. Dále se zákazníci ptají na rovinatost, ale ta spíše závisí na technologii betonáže, a tudíž podlahové topení nehraje roli. Co vyžaduje větší přípravu, je například kotvení regálů. V podlaze ale vede i celá řada jiných sítí, a proto je potřeba se nad budoucím rozložením zamyslet, případně mít potrubní trasy pečlivě zaměřeny.

Roth Isocore® je řízená aktivace teploty jádra, která využívá pevných stavebních prvků struktury budovy, např. betonové stropy a stěny jako tepelnou akumulaci pro celoroční regulaci teploty budovy pro vytápění a chlazení. V tomto systému jsou trubky, jako výměníky tepla, kterými proudí voda, integrovány přímo do betonových stavebních prvků při konstrukci skořepin budovy. Roth systémová řešení tepelných rozvodů umožňují umístění tepelných výměníků do aktivovaných stavebních prvků v souladu se specifickými požadavky na stavby a způsob využití.

Regulace TABS systémů

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. 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

Pro testování různých přístupů k řízení způsobu dodávání energie pro chlazení či vytápění byl vytvořen experimentální model MiniTABS. 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). Na serveru potom běží instance MATLABu, ve které je implementován matematický model miniTABS. Ten je odvozen na základě fyzikálních parametrů použitých materiálů za využití RC-modelování. MATLAB pak také realizuje výpočet řízení MPC.

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.

Ekonomická návratnost a příklady realizací

Dle zkušeností, které máme, je potřeba počítat návratnost pro každý objekt individuálně. Nejde obecně říci, že to vychází např. na 5 let. Je potřeba si srovnat náklady na realizaci jednotlivých systémů a také provozní náklady. Návratnost se dále snižuje, pokud je tento systém použit i pro chlazení objektu. Zvláště při kombinaci vrtů s tepelným čerpadlem, protože potom chladíme většinou pouze za cenu práce oběhových čerpadel (tzv. pasivně), což jsou minimální náklady. Právě pro tyto účely často zpracováváme studii proveditelnosti, kde dostane investor více informací. Důležité je si uvědomit, co s čím srovnáváme. Několik porovnání už jsme dělali a jednou vychází nejlépe podlahovka s elektrokotlem jindy zase s plynovým kotlem.

Jako příklad bychom rádi uvedli halu, realizovanou na Kolínsku. Investor hledal ideální řešení pro jeho záměr. Jeho požadavkem bylo, že chtěl halu vytápět i chladit. Výsledek je takový, že jako zdroj jsou použity vrty s tepelným čerpadlem a do plochy haly samozřejmě průmyslové podlahové vytápění. Tímto systémem se hala vytápí i chladí. Zákazníka nejvíce oslovilo, že se jedná o jeden systém pro vytápění i chlazení, servisuje se pouze strojovna tepelného čerpadla, panují zde komfortní teploty v zóně, kde se pohybují lidé, systém nabízí velmi dobré provozní náklady, prostory jsou architektonicky velmi čisté.

Návratnost investice do zemních tepelných čerpadel

Po několika letech provozu a zjištěných reálných spotřebách tepla a chladu provedla Nadace partnerství výpočet prosté doby návratnosti dané technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty. K výpočtu prosté návratnosti je vždy nutné vztáhnout návratnost k určitému konzervativnímu řešení zdroje tepla a chladu.

Níže jsou uvedeny reálné investiční a provozní náklady instalované technologie TČ a předpokládané (odborný odhad daný výpočty a poptávkami technologie) investiční a provozní náklady konzervativního řešení plynové kotelny s výrobníkem chladu.

Technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty:

• Skutečné investiční náklady včetně provedení vrtů, montáže a kompletní strojovny TČ: 2 200 000 Kč
• Skutečné provozní náklady na vytápění a chlazení (rok 2015) - elektřina dle fakturace: 55 000 Kč

Technologie plynové kotelny a výrobníku chladu na střeše objektu:

• Odborný odhad investice (přípojky plynu, odkouření, plynová kotelna, výrobník chladu) uvažováno včetně kompletní montáže: 1 200 000 Kč
• Uvažované provozní náklady dle skutečné spotřeby objektu - el. technologií.

U technologie tepelných čerpadel země voda s geotermálními vrty ve výše popsaném objektu lze vzhledem k provozním podmínkám reálně uvažovat s životností 25-30 let, přičemž po dané době dojde k výměně pouze technologie strojovny (případně jen části). U vrtů se počítá s životností v řádu 100 let.

Monitoring systému

Systém je napojen na sofistikovanou technologii měření a regulace Lucid, která za pomoci celkem 46 elektroměrů a 10 kalorimetrů dokáže přesně vyhodnotit provoz a spotřebu tepla/chladu celého objektu a současně přesnou dodávkou tepla a chladu pomocí tepelných čerpadel. Systém dále měří vyrobenou energii pomocí FVE, spotřebu ostatní elektrické energie, spotřebu vody apod. Monitoring zde probíhá již od roku 2013.

Díky tomu jsme schopni zachytit reálný provoz daného zařízení a funkci názorně prezentovat na skutečně naměřených hodnotách z let 2013-2016.

Z tabulky je patrné, že sezónní zhodnocení výroby energie tepla/chladu pomocí tepelných čerpadel každým rokem stoupá. Tento fakt je způsoben zejména důsledným monitoringem a následnou optimalizací systému co do provozních teplot a obecně potřeb objektu.

1. Poměr mezi celkově vyrobenou energií tepla/chladu pomocí TČ s vrty a spotřebou el. energií na vytápění a chlazení vč.
2. Poměr mezi skutečně spotřebovanou energií tepla/chladu a spotřebou el. energií na vytápění a chlazení vč. oběhových čerpadel na primárním okruhu

tags: #vypocet #aktivace #betonoveho #jadra

Oblíbené příspěvky:

• Vše o mrazuvzdorných dlaždicích do interiéru i exteriéru
• Otáčecí kostky pro děti
• Cementová kuchyňská linka pro vaši inspiraci
• Vše o odvětrávané fasádě
• Rychlá renovace s panely Hettich