Prevádzka systému nízkoteplotného vykurovania / vysokoteplotného chladenia z hľadiska tepelnej pohody

Autorka článku sa zaoberá problematikou hodnotenia vnútorného stavu prostredia v administratívnych budovách s presklenými fasádami, v ktorých sú aplikované hybridné energetické systémy pre vykurovanie, chladenie a vetranie. Nízkoteplotné vykurovanie a rôzne konštrukčné prevedenie vysokoteplotného chladenia so zavesenými podhľadmi a kapilárnymi rohožami sú predmetom posudzovania vnútorného stavu prostredia na základe experimentálneho overenia základných fyzikálných faktorov definujúcich tepelnú pohodu vnú­torného prostredia budov.
Cieľom príspevku je poukázať na objektívne hodnotenie stavu prostredia v pracovnom prostředí, v ktorom moderné energetické systémy môžu výrazne ovplyvniť nielen kvalitu prostredia, ale aj pracovnu výkonnost užívateľov budov.

Recenzent: Otília Lulkovičová

1. Úvod

Tepelná pohoda je z hľadiska dlhodobého pobytu ľudí v interiéri jedným z najdôležitejších faktorov. Preto hlavnou úlohou techniky prostredia je zabezpečiť komfortné vnútorné prostredie, ktoré významne vplýva na pohodu a tým aj pracovnú výkonnosť ľudí, ktorý sa v ňom pohybujú. To je práve úlohou systémov nízkoteplotného vykurovania /vysokoteplotného chladenia. Patria medzi veľkoplošné sálavé systémy, pri ktorých je podiel sálavej a konvekčnej zložky až 80 % : 20 %. To umožňuje prirodzenejšie rozloženie teplôt vo vnútornom priestore, čo má vplyv na pocit komfortu, ktorý sa dostaví pri výrazne nižšej (vykurovanie) / vyššej (chladenie) teplote teplonosnej látky. Tento rozdiel umožní úsporu energie. Zároveň nedochádza k zvýšenej rýchlosti prúdenia vzduchu a nebezpečenstvu vzniku lokálnej tepelnej nepohody či prievanu. Ďalšími výhodami systému sú nižšie investičné a prevádzkové náklady a redukovaná výmena vzduchu pri kombinácii so vzduchotechnickými zariadeniami.

Dôležitým predpokladom pre správny návrh väčšiny moderných budov je, že parameter vnútorného prostredia musia spĺňať požiadavky národných a medzinárodných noriem a technických predpisov (viď literatúra).

Pri týchto systémoch techniky prostredia je dôležitý nielen správny návrh, ale aj správna prevádzka tak, aby nedochádzalo k vzniku lokálnej tepelnej nepohody na ľubovoľnej časti ľudského tela. Parametre vnútorného prostredia preto meriame objektívnymi dlhodobými a krátkodobými meraniami priamo v pracovnej oblasti človeka.

2. Experimentálne merania parametrov tepelnej pohody

2.1 Budova A – Systém sálavých panelov s prekrytím krycou doskou

Ide o administratívnu budovu pozostávajúcu z 10 nadzemných podlaží s dvoma podzemnými podlažiami. V budove je chladiaci systém v zavesenom podhľade vytvorený z kovových tabúľ s medenými potrubiami s priemerom 12 mm. Vzdialenosť medzi potrubiami je 150 mm. Zavesené chladiace panely pokrývajú väčšinu povrchu stropu.

2.2 Budova B – Kapilárne rohože zabudované vo vnútornej povrchovej vrstve

Budova sa nachádza pri Železničnej stanici Petržalka v Bratislave, má dva samostatné bloky: blok A – 5 poschodí, blok B – 8 poschodí. Budova je v prevádzke od roku 2009.

Aplikovaný je systém kapilárnych rohoží – chladiacich sietí (s priemerom 5 mm) ktoré sú umiestnené pod omietkou stropnej konštrukcie. Vzdialenosť medzi potrubím je v rozpätí 150 až 200 mm.

2.3 Merania parametrov tepelnej pohody

Merania parametrov vnútorného vzduchu prebiehali v rámci budovy v typickom podlaží a v najnepriaznivejšom podlaží a v rámci podlažia v rohových kanceláriách a v strede dispozície. V článku sú výsledky z letného obdobia.

Merania parametrov tepelnej pohody:

• okamžité merania – teplota vnútorného vzduchu q_a [°C], operatívna teplota q_o [°C], relatívna vlhkosť vzduchu j [%], rýchlosť prúdenia vzduchu v_a [m/s];
• dlhodobé merania – teplota vnútorného vzduchu q_a [°C], relatívna vlhkosť vzduchu j [%].

Pre okamžité merania tepelného stavu sa používa prístroj Brüel & Kjaer 1213 (indoor climate analyzer) s jednotlivými senzormi. Merania sú uskutočňované na jednotlivých miestach v kancelárii:

• Na komunikačných miestach v rámci kancelárie – vo výške hlavy stojaceho človeka 1,7 m, stredu tela vo výške 1,1 m a v oblasti členkov stojaceho človeka vo výške 0,1 m nad podlahou. Operatívna teplota q_o len vo výške stredu tela 1,1 m nad podlahou.
• V pracovnej oblasti človeka – vo výške hlavy sediaceho človeka 1,1 m, vo výške stredu tela 0,6 m a vo výške členkov sediaceho človeka 0,1 m nad podlahou. Operatívna teplota q_o len v oblasti stredu tela 0,6 m nad podlahou.

Dlhodobé merania prebiehali počas jedného letného týždňa, počas ktorého boli v exteriéri typické teploty pre letné ročné obdobie.

3. Výsledky

Teplota vnútorného vzduchu q_a  – dlhodobé merania

Väčšina nameraných hodnôt teploty vnútorného vzduchu v letnom období sa v budove A pohybuje v rozmedzí 24 až 26,0 °C (obr. 5) a v budove B 22 až 24,5 °C. Budova A spĺňa požiadavky ­kategórie II. normy STN EN 15 251, tab. A.3, pre akceptovateľné teplotné rozsahy pre chladenie, zatiaľ čo budova B (obr. 6) s kapilárnymi rohožami je na spodnej hranici kategórie II. až v kategórii III, čo naznačuje mierne podchladenie budovy. Nakoľko merania prebiehali pri typických letných vonkajších podmienkach, kedy sa priemerná vonkajšia denná teplota pohybovala okolo 31 až 33 °C, bolo by možné v budove B chladenie upraviť na nižší stupeň.

Najnižšia teplota vnútorného vzduchu v kanceláriách je v ranných hodinách. Následne vzrastajú tepelné zisky príchodom zamestnancov, používaním technického vybavenia a vplyvom slnečného žiarenia, a teplota stúpa až na 26,0 °C (v rohových kanceláriách ešte vyššie). Po opustení kancelárii zamestnancami v popoludňajších hodinách teplota vnútorného vzduchu klesne až na východziu teplotu.

Operatívna teplota q_o – krátkodobé merania

Budova A: Operatívna teplota vo veľkoplošných kanceláriách (openspace Office – OO) je 25,8 až 27,0 °C. V bunkových kanceláriách sa operatívna teplota pohybovala medzi 24,5 a 26,0 °C. Vo všeobecnosti bola operatívna teplota na najvyššom podlaží o 0,9 °C vyššia ako na typickom podlaží.

Budova B: Operatívna teplota sa v budove s kapilárnymi rohožami pohybovala rovnako ako teplota vnútorného vzduchu, teda mierne nižšie ako v budove A so zaveseným podhľadom – okolo 24 °C.

Na obrázku 7 je zobrazená operatívna teplota na pracovných miestach (1,1 m nad zemou).

Relatívna vlhkosť vzduchu j – krátkodobé merania

Relatívna vlhkosť vzduchu je zobrazená na obrázku 8 a vo výške členkov sa pohybovala na úrovni 60 % v oboch budovách čo zodpovedá požiadavkám normy STN EN 15 251.

Rýchlosť prúdenia vzduchu v_a  – krátkodobé merania

Na obrázku 9 je zobrazená rýchlosť prúdenia vzduchu na pracovných miestach v dvoch výškach – vo výške členkov 0,1 m a vo výške hlavy 1,1 m.

Budova A – Priemerná hodnota bola 0,09 m/s. Rozdiel medzi týmito dvomi výškami je 0,02 m/s v bunkových kanceláriách a 0,05 m/s vo veľkoplošných kanceláriách.

Budova B – Priemerná rýchlosť prúdenia vzduchu v oboch výškach bola mierne nižšia ako v budove A – pohybovala sa okolo 0,05 m/s. Rozdiel medzi výškou hlavy a výškou členkov bol 0,02 m/s.

4. Záver

Vysokoteplotné chladenie sa javí ako komfortný spôsob chladenia budov s celopresklennou fasádou. Systém má priaznivý vplyv na vnútorné prostredie a tepelnú pohodu užívateľov bez zbytočného rizika vzniku prievanu. Vzduchotechnika v takýchto budovách slúži len na prívod čerstvého vzduchu a nie je hlavnou zložkou chladenia. Pre analýzu správneho fungovania použitých systémov vykurovania a chladenia boli merané parametre tepelného stavu a porovnané s kritériami príslušných technických noriem. Zároveň sú tieto systémy vďaka nízkym teplotám pracovnej látky energeticky veľmi úsporné. Veľkou výhodou je možnosť efektívneho využitia obnoviteľných zdrojov energie, ktoré prispievajú i k ochrane životného prostredia. To potvrdzuje aj aplikácia reverzibilného tepelného čerpadla v budove B ktoré je schopné pokryť požiadavky na výrobu chladu i tepla počas celého roka.

Systém chladenia s kapilárnymi rohožami reaguje rýchlejšie na zmeny vonkajšej teploty ako systém so zaveseným podhľadom, a veľmi dobre pokrýva zvýšené požiadavky na chladenie počas letných mesiacov. Systém zavesených pohľadov (budova A) je mierne pomalší, ale zabezpečuje veľmi priaznivé podmienky vnútorného prostredia z hľadiska teploty vzduchu, relatívnej vlhkosti aj rýchlosti prúdenia vzduchu.

Celkovo je možné konštatovať, že pracovné prostredie v oboch administratívnych budovách s výrazne presklenou fasádou bolo pri komplexnom hodnotení spolupôsobenia jednotlivých faktorov vnútorného prostredia vy­hovujúce a veľmi priaznivé, čo má pre zamestnancov, ktorý v nich pracujú priaznivý vplyv na pracovnú výkonnosť.

Literatura

[1] Olesen B., Petráš D., Babiak J.: Low temperature heating and hight temperature cooling: Rehva guidebook No. 7 Forssan: Rehva 2007, ISBN 2-9600468-6-2
[2] Petráš D., Piršel L.: Metodika hodnotenia tepelného stavu obytných a občianskych budov, In: Stavebnícka ročenka 1988. Bratislava: Alfa, 1988
[3] Ďurišová E., Petráš D.: Posúdenie tepelného stavu rôznych systémov vysokoteplotného chladenia, Vetranie a Klimatizácia 2011, 13. ­medzi­národ. konferencia, Tatranská Lomnica, 21.–22. 6. 2011
[4] Ďurišová E., Petráš D.: Evaluation of in­door environment in office building with low temperature heating and high temperature cooling system in summer time, Clima 2010. Sustainable energy use in Buildings: 10th Rehva World Congress. ­Antalya, Türkiye, 9.–12. 5. 2010
[5] Ďurišová E., Petráš D., Krajčík M.: Thermal comfort in the office building with low temperature heating / high temperature cooling and ist influence on the quality of the working environment, Healthy buildings 2009: 9th International conference. Syracuse, USA, 13.–17. 9. 2009
[6] Ďurišová E., Petráš D.: Evaluation of in­door air in office building in Bratislava – in summer and also in winter period, Indoor Air 2011. ­Austin, Texas, USA, 5.–10. 6. 2011

[7] ČSN EN 15 251 Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelného prostředí, osvětlení a akustiky
[8] STN EN 15 251 Vstupné údaje o vnútornom prostredí budov na navrhovanie a hodnotenie energetickej hospodárnosti budov – Kvalita vzduchu, tepelný stav prostredia, osvetlenie a akustika.
[9] EN ISO 7726 Ergonómia tepelného prostredia. Prístroje na meranie fyzikálnych veličín (ISO 7726:1998)
[10] CEN CR 1752 Ventilation for buildings – Design criteria for the ­indoor environment.

---

Operation of low temperature heating / high temperature cooling system in term of thermal comfort

This paper regards to basic indoor environmental parameters in administrative spaces of two office buildings in Bratislava, Slovakia in summer and in winter period with two kinds of low-exergy systems (low temperature heating and high temperature cooling).

A large number of people often experience discomfort due to draught, low or high temperatures when they are at work. Office buildings with facades made in high extent of glass are influenced by outdoor conditions. Therefore it is necessary to equip them with some of the systems of building services in order to ensure optimal indoor conditions. One of such systems is the low-exergy system, what means low temperature heating and high temperature cooling in one system. This system is one of types of radiant surface heating and cooling and consists of radiant heating and cooling panel systems with integrated pipes suspended under the ceiling or embedded id building construction. Thermal energy is exchanged between the room and people present in the space and the heated / cooled surface.

Keywords: low temperature heating, high temperature cooling, low exergy systems, thermal comfort