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. Systémy aktivace betonového jádra obecně fungují tak, že aktivují hmotu budovy a využívají vlastních charakteristik vytápění a chlazení stavebního materiálu k uskladnění tepelné energie.
Proto se jako zdroj tepla nebo chladu v první řadě doporučují tepelná čerpadla voda/voda a reverzibilní tepelná čerpadla pro chlazení a vytápění. TABS není zdroj. Voda má mnohem vyšší tepelnou kapacitu než vzduch, což znamená, že přenos energie v budovách se může uskutečňovat s vyšší účinností s použitím podstatně menšího prostoru - díky čemuž jsou systémy sálavého chlazení vhodné pro komerční využití.
Princip aktivace betonového jádra
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. Trubky se pokládají ještě v průběhu hrubé stavby a přizpůsobují se tak požadavkům stavby.
Čtěte také: Postupy pro opravu betonu
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.
Systém 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 tedy 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) [3].
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.
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.
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).
Čtěte také: Postup opravy betonového chodníku
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).
Využití aktivace betonového jádra
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).
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.
Budova o celkové ploše cca 1 000 m2 je vybavena systémem aktivace betonového jádra Contec ON pro celoroční zajištění teploty vnitřního klimatu v požadovaných mezích (20 až 26 °C zima/léto). Vzhledem k možnostem je celý systém napájen z jednoho místa deseti vývody potrubí PE-Xa 40 mm, na které jsou Tichelmannovým rozvodem zapojené jednotlivé moduly pro aktivaci systému Contec ON.
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.
Čtěte také: Jak opravit betonové schodiště
Výhody a omezení
Asi nejdůležitější otázka a odpověď na ni je velmi individuální. Každý si v podlahovce najde něco svého, ale uvedu pár příkladů za všechny.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.
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.
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!
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.
Jak bylo uvedeno výše, největší překážkou při využití TABS je nutnost komplexního návrhu, kde se může negativně projevit nedostatek zkušeností. 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.
Návrh a realizace
Klademe proto 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.
Ekonomická návratnost
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.
Příklady realizací
Naše společnost zastupuje pro Českou republiku a Slovensko systém německého výrobce LoWaTec, který už v Německu takto zrealizoval více než 350 hal různého typu: markety, obchody (např. Lidl, Kaufland, Edeka, Ikea…), výrobní haly, logistické haly atd. Jako příklad bych ale rád uvedl halu, kterou jsme realizovali letos 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. do vzduchu.
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 vod 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.
Tabulka 1: Vyrobená energie tepelnými čerpadly MWh/rok
| 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | |
|---|---|---|---|---|
| Celkem | 125,80 | 86,05 | 106,97 | 113,07 |
| Vyrobeno tepla | 66,09 | 34,37 | 38,51 | 44,10 |
| Vyrobeno chladu | 56,70 | 47,84 | 64,30 | 65,05 |
| Vyrobeno tepla pro TV | 3,01 | 3,84 | 4,16 | 3,93 |
| Spotřeba el. energie na provoz TČ | 24,44 | 13,88 | 15,65 | 16,33 |
| Využití vyrobeného tepla | 91,8% | 92,2% | 94,1% | 90,3% |
| Využití vyrobeného chladu | 85,6% | 78,0% | 72,3% | 78,6% |
| Účinnost tepelného čerpadla s ohledem na celkovou výrobu tepla/chladu 1) | 5,15 | 6,20 | 6,83 | 6,92 |
| Účinnost tepelného čerpadla s ohledem na skutečně spotřebované teplo / chlad 2) | 4,59 | 5,25 | 5,55 | 5,81 |
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 primárn m okruhu
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. Hodnota celkového skutečného výkonového čísla (zhodnocení) blížící se hodnotě 6 je vizitkou špičkově fungujícího a energeticky efektivního systému.
tags: #aktivace #betonového #jádra #princip