System termicznego uaktywnienia elementów betonowych budynku

Chłodzenie i ogrzewanie budynków instalacjami płaszczyznowymi

Wzrastające ciągle wymagania komfortu ogrzewania i klimatyzacji pomieszczeń i coraz większa świadomość oszczędnego wykorzystywania malejących rezerw naturalnych źródeł energii pociągają za sobą konieczność wprowadzania nowych technik. Jedną z możliwości spełnienia tych wymagań, przy jednoczesnej oszczędności energii, jest system termicznego uaktywnienia elementów betonowych budynku, znany i stosowany już w krajach o wysokiej świadomości oszczędności energii jak np. Szwajcaria czy Szwecja.

Stropy betonowe, z fizycznego punktu widzenia, nadają się znakomicie do magazynowania ciepła. Dzięki ułożonym w nich rurach, w których przepływa woda, stają się one powierzchniami aktywnymi termicznie. W lecie energia cieplna kumulowana jest w dzień i oddawana w nocy i odwrotnie, energia chłodnicza kumulowana jest w nocy i oddawana w dzień. System umożliwia więc łagodną i wolną od przeciągów klimatyzację. W zimie masa betonowa służy do oddawania ciepła.

System ten nie nadaje się jednak do modernizacji budynków, a jedynie do budynków nowo projektowanych, gdyż nieodzowna jest ścisła współpraca architekta, projektanta konstrukcji i projektanta ogrzewania i klimatyzacji już w fazie koncepcji.

Dzięki temu systemowi osiąga się komfortową klimatyzację budynku w ciągu całego roku. Technologia ta jest bardzo oszczędna energetycznie. Stosowanie jej jest możliwe w budynkach przemysłowych, halach targowych i magazynowych, w domach jednorodzinnych i blokach mieszkalnych, praktycznie we wszystkich typach budynków przy uwzględnieniu konkretnych warunków budowlanych i funkcjonalnych.

Podstawą systemu ogrzewania i chłodzenia elementami betonowymi budynków są prefabrykowane kolektory z rur wodnych zabetonowane bezpośrednio w stropy poszczególnych kondygnacji lub ściany zewnętrzne. Kolektorami tymi chłodzone lub ogrzewane są betonowe przegrody budowlane budynków. Podstawowym elementem kolektorów jest uniwersalna rura wielowarstwowa. Rura ta, stosowana także w systemach ogrzewania podłogowego, zawiera optymalne właściwości do zastosowania jej w systemie termicznie aktywnych elementów budowlanych.

Jej zalety wypływają z przemyślanej konstrukcji z dokładnie pasującymi wzajemnie warstwami. Jest to aluminiowa rura pokryta wewnątrz i z zewnątrz warstwą sztucznego tworzywa. Aby osiągnąć absolutną szczelność dyfuzyjną, rura ta jest warstwowo wzdłużnie spawana. Ta metoda spawania gwarantuje jej wysoką wytrzymałość mechaniczną i niewielki współczynnik wydłużenia cieplnego.

Są to właściwości, które, szczególnie w systemie termicznie aktywnych elementów budowlanych, mają bardzo duże znaczenie. Betonowe stropy pomiędzy kondygnacjami budynku nadają się idealnie do wykorzystania jako zasobniki ciepła. Poprzez bezpośrednie zabetonowanie kolektorów w stropy lub przegrody zewnętrzne odprowadzone są obciążenia cieplne. Wymagane temperatury wody zasilającej w kolektorach leżą pomiędzy 18°C (chłodzenie) i 25°C (ogrzewanie).

A więc alternatywne systemy uzyskiwania energii cieplnej, szczególnie pompy ciepła, mogą tu znaleźć bardzo korzystne ekonomicznie zastosowanie, o wiele korzystniejsze niż w dotychczas rozpowszechnionym konwencjonalnym ogrzewaniu grzejnikowym czy podłogowym.

A oto niektóre z zalet tego systemu:

• elementy budowlane służą jako magazyn ciepła lub chłodu i łagodzą tym samym zapotrzebowania szczytowe,
• magazynowanie ciepła w elementach budowlanych umożliwia nocną pracę w systemie swobodnego chłodzenia (free-cooling), gdzie przy niższych temperaturach zewnętrznych schładza się woda w obiegu,
• wymiana powietrza może być zredukowana do poziomu niezbędnego dla dostarczenia świeżego powietrza,
• woda jest czynnikiem nadającym się o wiele lepiej do transportu energii cieplnej od powietrza, oszczędzamy więc bardzo na energii potrzebnej do jej przetransportowania i kosztach inwestycyjnych na kanały powietrzne i ich usytuowanie,
• kolektor chłodniczy służy jednocześnie jako kolektor grzewczy; ogrzewanie tym systemem jest nieco trudniejsze do opanowania z powodu dużej bezwładności cieplnej elementów betonowych i istnieje możliwość nieco podwyższonej temperatury w pomieszczeniach w sezonie grzewczym, jednak nie wyższej niż 22°C.

Chłodzenie tym systemem nadaje się szczególnie do budynków o dużym obciążeniu cieplnym i masywnej konstrukcji betonowej, a więc do budynków o wysokiej infrastrukturze technicznej (np. budynki bankowe), budynki biurowe i przemysłowe. System ten łączy w sobie dwa systemy. System ogrzewania podłogowego i mało jeszcze rozpowszechniony w Polsce system chłodzenia sufitowego. Systemy te charakteryzują się dużym komfortem cieplnym, minimalizując jednocześnie konieczność dostarczenia klimatyzowanego powietrza.

Dynamiczna klimatyzacja powietrzna niesie ze sobą wiele nie do końca opanowanych problemów jak:

• przy dużych wewnętrznych obciążeniach cieplnych konieczność dostarczenia chłodnego powietrza w ilościach powodujących często „przeciągi",
• konieczność blokady otwierania okien,
• częsta zawodność systemów regulacji,
• szybkie zmiany parametrów powietrza w przypadkach zakłóceń w pracy systemu klimatyzacji,
• różnorodne wymagania ludzi odnośnie komfortu cieplnego,
• dynamiczny system klimatyzacji wymaga bardzo kosztownej (inwestycyjnie i eksploatacyjnie) „produkcji" wody o niskiej temperaturze oraz kosztownego utrzymania wymaganej wilgotności powietrza.

Klimatyzacja „statyczna", jeśli nie całkowicie, to w dużym stopniu eliminuje te problemy. Dowodem na to jest szeroko rozpowszechniony w krajach zachodniej Europy system chłodzenia sufitowego i ogrzewania podłogowego.

Systemy te pozwalają na wykorzystanie wody grzewczej i chłodniczej o temperaturach możliwych do osiągnięcia przy stosunkowo niewielkich kosztach eksploatacyjnych. Idealnym połączeniem ogrzewania i klimatyzacji jest system pompy ciepła z sondami ziemnymi, gdzie energię chłodniczą z sond ziemnych w lecie mamy prawie za darmo. Dodatkową zaletą takiego systemu jest to, że w sezonie grzewczym wychładzamy, a w lecie ogrzewamy grunt w okolicy sond. Grunt spełnia więc rolę akumulatora ciepła.

W zależności od warunków i wymagań budowlanych, rozróżniamy różne konstrukcje kolektorów. Oto niektóre z nich o najpopularniejszym zastosowaniu:

• Typ 1. Jednowarstwowe zbrojenie z wmontowanymi rurami aluminiowymi. Siatka mocująca służy do zabezpieczenia rur przed uszkodzeniami mechanicznymi. Ponieważ odstępy zbrojenia odpowiadają odstępom rur, rury montuje się zawsze pod zbrojeniem.
• Typ 2. Podwójne zbrojenie z wmontowanymi rurami. Konstrukcja warstwowa zapewnia optymalne zabezpieczenie rur przed uszkodzeniami mechanicznymi.
• Typ 3. Pojedyncze zbrojenie z szynami mocującymi, np. rurami stalowymi lub szynami profilowymi. Typ ten jest masywną konstrukcją spełniającą najwyższe wymagania. Dzięki elementom mocującym osiąga się najlepsze zabezpieczenie rur przed uszkodzeniem. Poza tym konstrukcja ta ułatwia montaż elementów na budowie, gdyż istnieje możliwość dowolnego przesuwania szyn mocujących.

W przypadku stosowania tego systemu, budynek powinien spełniać w przybliżeniu następujące warunki budowlane:

• całkowity współczynnik przepuszczalności energii dla szkła: 0,40 W/m²,
• współczynnik k dla ścian zewnętrznych łącznie z oknami: 0,90 W/(m²*K),
• współczynnik k dla ścian zewnętrznych i dachów: 0,25 W/(m²K),
• oświetlenie: 11 W/m²,
•  wolna powierzchnia elementu budynku,
•  wentylacja higieniczna,
•  żaluzje zewnętrzne.

Kolektor musi być montowany w pierwszej fazie budowy. Dlatego projekt wraz z koncepcją energetyczną powinien być wykonany we wstępnej fazie projektowania, przed rozpoczęciem robót budowlanych. Wczesne i dokładne zaprojektowanie kolektorów jest warunkiem poprawnego działania systemu i wymaga ścisłej koordynacji pomiędzy projektantem i kierownikiem robót budowlanych. Podwieszone sufity, podwójne podłogi, wszelkiego rodzaju zabudowy zmniejszają nieco oddawanie lub przyjmowanie ciepła w przypadku chłodzenia.

Kolektory i ich podłączenia mogą być prefabrykowane na podstawie projektu budowlanego i instalacyjnego budynku. Wymiary kolektorów mogą być dowolne, uwarunkowane jedynie możliwościami transportowymi i instalacyjnymi. System ten przyśpiesza też prace budowlane i instalacyjne, pomniejszając tym samym koszt całej inwestycji. Korzyści w oszczędności energii, kosztach inwestycyjnych i podniesieniu komfortu cieplnego budynków z tym systemem grzewczo-klimatyzacyjnym są ewidentne, dlatego można się liczyć z jego rozpowszechnieniem w najbliższej przyszłości.