Tento článek pojednává o možnostech využití systémů tepelné aktivace betonového jádra pro vytápění a chlazení budov. Shrnuje přehled výhod a nevýhod tohoto systému a 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.
Historie a principy tepelné aktivace betonového jádra (TABS)
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.
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.
Roth Isocore® - moderní řešení TABS
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. Projektové a instalační plánování pro řízení teploty betonu Roth Isocore® je založeno na individuálních požadavcích na stavbu.
Výhody a nevýhody TABS systémů
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: Využití betonové skruže 1000
Výhody TABS
- Nízké teploty systému při vytápění a poměrně vysoké teploty chladicí vody: Umožňují integraci systémů výroby energie z obnovitelných zdrojů a energeticky efektivní a nákladově efektivní provoz.
- Využití nízkoteplotních zdrojů: 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.
- Posouvání dodávky 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).
- Energetická certifikace: Pokud se jedná o budovu, která má získat některou z forem energetické certifikace, lze za demand-response získat zajímavou bonifikaci.
- Úspora stavebních nákladů: Z pohledu investičních nákladů je TABS zajímavý tím, že není třeba budovat podhledy a tak lze do určité výšky budovy vměstnat více pater.
- Komplexní řešení: 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.
- Vyšší tepelný komfort: 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).
Nevýhody a výzvy TABS
- Nutnost komplexního návrhu: Jak bylo uvedeno výše, největší překážkou při využití TABS je nutnost komplexního návrhu, kde se může negativně projevit nedostatek zkušeností.
- Komplexní regulace: 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.
Regulace TABS systémů pomocí MPC
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 [7]. 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
Cílem tohoto článku bylo seznámit čtenáře s TABS systémem vytápění a chlazení budov, jeho výhodami a otázkou řízení. V našem konkrétním případě je řešení založeno na experimentálním modelu s tepelnou aktivací betonového jádra. 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). Ukázka technické realizace experimentálního TABS systému je na obrázku 2.
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, jak je znázorněno na obrázku 3.
Čtěte také: Betonový plot: Váha a její vliv
V řadě vědeckých publikací se setkáváme s formulacemi MPC, které lze použít pouze pro simulační účely, ale není možné je použít v praxi pro řízení reálného systému, kde narážíme na nejistoty matematického modelu, nejistoty odhadu vnitřních nebo solárních zisků apod. 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. I na základě těchto experimentů dále vylepšujeme řídicí algoritmy použité například na pilotní aplikaci na budově ČVUT v Praze [8].
Váha betonového jádra a typy betonu
Hmotnost (objemová) betonu může nabývat hodnot od cca 400 kg/m3 do cca 6000 kg/m3. Objemová hmotnost betonu se pohybuje od 300 kg/m3 až do 6 000 kg/m3. Výsledná hmotnost závisí na tom, kde a v jakých podmínkách bude betonová směs použita, volba kameniva a přísady do betonu.
Kategorie betonů podle objemové hmotnosti
- Lehčený nebo lehký beton: Beton s objemovou hmotností od 300 kg/m3 do 2 000 kg/m3 se označuje jako lehčený nebo lehký beton. Lehký beton má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 800 kg/m3 a menší než 2000 kg/m3. Betony s objemovou hmotností menší než 1000 kg/m3 plavou na vodě. Většinou se používají na nenosné konstrukce - spádové, vyrovnávací a izolační vrstvy.
- Běžné konstrukční betony: Hmotnost od 2 000 kg/m3 do 2 500 kg/m3 mají nejběžnější konstrukční betony.
- Těžký beton: Beton s těžší objemovou hmotností než 2 500 kg/m3 se vyrábí pro speciální účely a použití. Má vysokou trvanlivost a odolnost proti požáru. Betony s vysokou objemovou hmotností se nejčastěji používají na stínící konstrukce v provozech s některým druhem záření (radiologická oddělení v nemocnicích, výzkumných ústavech apod.). Výroba těžkých betonů vyžaduje speciální postupy při výrobě, dopravě a zpracování. Speciálně musí být připraveno i bednění. Beton je výborným materiálem pro ochranu před účinky ionizujícího záření.
Specifikace betonu
Výše uvedené specifikace betonů (C25/30 apod.) nelze brát jako doporučení. Specifikaci (pevnost) betonu najdete v projektové dokumentaci, popř. v technické dokumentaci.
Doprava a uložení betonových směsí
K dopravě betonových směsí používáme autodomíchávače značek MAN, IVECO, MERCEDES aj. o objemu 6-8m3. Berte na vědomí, že dopravu pro suché/zavlhlé směsi (např. potěry/mazaniny) nenabízíme, ale na vyžádání můžeme doporučit naše partnery. Pokud potřebujete uložit beton na větší vzdálenost, popř. do výšky, zvolte možnost čerpání betonu. Do pole „Specifikace betonu“ uveďte vzdálenost, na kterou chcete beton čerpat.
Čtěte také: Ztracené bednění: Kompletní průvodce
tags: #váha #betonového #jadra #informace