Stenové vykurovanie predstavuje nový trend pri návrhu vykurovania obytných miestností aj s ohľadom na nízky teplotný rozdiel medzi teplotou vzduchu v miestnosti a teplotou vykurovacej plochy, ktorý umožňuje využívať obnoviteľné zdroje energie, ako sú tepelné čerpadlá, solárne kolektory, priemyselné odpadové teplo a podobne [1]. Hoci je výskum sálavých povrchov väčšinou zameraný na podlahové a stropné vykurovanie, dôkazy z nedávnych štúdií naznačujú, že v niektorých prípadoch môžu byť systémy sálavých stien lepšie a aj preto predstavujú potenciálne uskutočniteľné riešenie na vykurovanie priestorov [2], [3]. Ďalšou výhodou tohto systému je, že ho možno využiť i v režime chladenia

Niekoľko štúdií priamo porovnáva stenové vykurovanie s inými alternatívami vykurovania priestorov. Napríklad porovnávajú stenové a stropné vykurovanie z hľadiska spotreby energie a prevádzkových nákladov, ako aj menovitého výkonu zdroja tepla [4], [5]. V jednej zo štúdií sa odporúča uprednostniť stenové vykurovanie pred podlahovým vykurovaním, pretože možno dosiahnuť lepší tepelný výkon a vyšší komfort s nižšou teplotou vody, čím sa zníži spotreba paliva [6]. Počítačové simulácie potvrdili, že stenové vykurovanie je schopné vytvoriť príjemné vnútorné prostredie v dobre izolovanej miestnosti [7]. Skúmal sa aj prenos tepla v stenovom vykurovacom systéme s kapilárnymi rohožami umiestnenými pod povrchom a izolovanými od nosnej konštrukcie, ktorý tiež preukázal, že stenové vykurovanie môže byť dobrou alternatívou [8].

Súčasný výskum sa zameriava na riešenie stenového vykurovania s rúrkami, ktoré sú tepelne izolované od hlavnej stavebnej konštrukcie. Ide o riešenie s rúrkami, ktoré sú umiestnené vo vnútornej omietke a zo strany exteriéru sú izolované tepelnou izoláciou od hlavnej stavebnej konštrukcie pozostávajúcej z pórobetónového muriva. Výhodou tohto systému je jeho vhodnosť na inštaláciu v nových aj existujúcich budovách. Experimentálne overenie je zamerané na skúmanie teplotného profilu steny s rúrkami, povrchovú teplotu, tepelný výkon a časovú reakciu systému.

Experimentálny návrh a metódy

Experimentálne merania sa uskutočňovali na fragmente steny, ktorý predstavoval vonkajšiu obvodovú stenu a pozostával z pórobetónového muriva s hrúbkou 200 mm a tepelnej izolácie Styrodur (Fibran XPS) s hrúbkou 100 mm. Rúrový register bol umiestnený v interiérovej omietke.

Klimatická komora a umiestnenie steny

Experimentálny sálavý systém bol vybudovaný zo steny, ktorá delila dve klimatické komory s kontrolovanou teplotou a vlhkosťou vzduchu. Jedna komora simulovala vnútorné prostredie, zatiaľ čo druhá simulovala vonkajšie klimatické podmienky (obr. 1). Požadovaná teplota vzduchu v oboch klimatických komorách bola dosiahnutá technológiou klimatických komôr. Požadovaná teplota vzduchu na vnútornej strane steny sa dosiahla pripevnením interiérovej komory (hotbox) vybavenej výmenníkom tepla a elektrickými špirálami.

Konštrukcia steny a umiestnenie meracích snímačov

Tab. 1 ukazuje fyzikálny model steny s rúrkami umiestnenými vo vnútornej omietke. Čísla 1 až 4 predstavujú jednotlivé vrstvy materiálu. Charakteristiky a termofyzikálne vlastnosti materiálov stien sú uvedené tiež v tab. 1. Vlastnosti materiálu boli odhadnuté pomocou technických zoznamov materiálov.

Na obr. 2 je znázornené rozloženie snímačov v stene číselne od 1 až 5 v reze a písmenami A až J v pohľade. Ts a Tr predstavujú snímače na prívodnom a vratnom potrubí.

Stena s rúrkami a meracie snímače

Stena pozostávala z jadra zloženého z pórobetónových tehál a vonkajšej tepelnej izolácie (obr. 3) a tepelne aktívnej omietky obsahujúcej rúrky (obr. 4).

Rozmery steny boli 1 200 mm x 1 200 mm, hrúbka tehlového jadra bola 200 mm. Hoci je táto hrúbka relatívne nízka, predchádzajúca teoretická štúdia [9] ukázala, že pre tento typ steny má hrúbka nosnej stavebnej konštrukcie v rozsahu od 200 do 400 mm malý vplyv na tepelný výkon. Snímač tepelného toku bol umiestnený v strede interiérového povrchu steny (obr. 2 naľavo) podľa odporúčania [10].

Prípady experimentálnej štúdie

V tejto štúdii sa výslovne nezohľadnili účinky vetra a dažďa. Vzhľadom na vyššiu kvalitu tepelnej izolácie sa predpokladalo, že nezohľadnenie všetkých vonkajších klimatických faktorov bude mať len malý vplyv na uplatniteľnosť výsledkov. V tab. 2 sú zoradené experimentálne merania sálavej steny v režime vykurovania na začiatku vykurovacieho obdobia.

Výsledky experimentálnych meraní

V laboratórnych podmienkach klimatickej komory boli uskutočnené experimentálne merania stenového systému v režime nízkoteplotného vykurovania na začiatku vykurovacieho obdobia.

Experimentálne meranie stenového vykurovania pri vonkajšej teplote vzduchu 10 °C

V klimatickej komore boli nastavené okrajové podmienky: teplota vzduchu v exteriérovej komore Te = 10 °C pri rýchlosti prúdenia vzduchu ve = 2 m/s, teplota vzduchu v hotboxe (HB) interiérovej komory Ti = 20 °C s rýchlosťou prúdenia vzduchu vHB = 0,9 m/s a teplota vody v rúrke stenového systému Tv = 25 °C.

Začiatok a koniec merania je znázornený v tab. 2. Vykurovanie bolo zapnuté dňa 4. 3. 2020 v čase 09:35 hod. a vypnuté dňa 5. 3. 2020 v čase 09:38 hod. Na obr. 5 je vidieť priebeh povrchovej teploty v bodoch A-1, B-1, C-1 a D-1, priebeh teploty prívodnej Ts a vratnej vody Tr a priebeh tepelného toku qi meraného teplovodivou platničkou (Schmidtovým koberčekom). Na obr. 5 je vidieť, že stenový vykurovací systém dosahoval v ustálenom stave pri daných okrajových podmienkach hodnotu tepelného toku približne qi = 24,8 W/m2. Rovnako na obr. 5 je dobre vidieť rozdiel medzi povrchovou teplotou meranou v bodoch A-1 a D-1, ktoré sa nachádzajú na interiérovom povrchu steny nad rúrkami, a povrchovou teplotou meranou v bodoch B-1 a C-1, ktoré sa nachádzajú na interiérovom povrchu steny medzi rúrkami. Interiérová povrchová teplota Tpovrch,A-D dosahovala hodnotu 23,2 °C.

Povrchová teplota meraná v bodoch A-1 a D-1 je vyššia v porovnaní s povrchovou teplotou meranou v bodoch B-1 a C-1. Na obr. 5 je ďalej vidieť rozdiel teploty prívodnej Ts = 24,9 °C a vratnej vody Tv = 24,6 °C pri prevádzke vykurovania. Stenový systém má rýchly nábeh a pri daných okrajových podmienkach je systém v režime vykurovania spoľahlivý.

Experimentálne meranie stenového vykurovania pri vonkajšej teplote vzduchu 4 °C

V klimatickej komore boli nastavené okrajové podmienky: teplota vzduchu v exteriérovej komore Te = 4 °C pri rýchlosti prúdenia vzduchu ve = 2 m/s, teplota vzduchu v hotboxe (HB) interiérovej komory Ti = 20 °C s rýchlosťou prúdenia vzduchu vHB = 0,9 m/s a teplota vody v rúrke stenového systému Tv = 29 °C.

Začiatok a koniec merania je uvedený v tab. 2. Vykurovanie bolo zapnuté dňa 6. 3. 2020 v čase 11:56 hod. a vypnuté dňa 7. 3. 2020 v čase 11:17 hod. Na obr. 6 je vidieť priebeh povrchovej teploty v bodoch A-1, B-1, C-1 a D-1, priebeh teploty prívodnej Ts a vratnej vody Tr a priebeh tepelného toku qi meraného teplovodivou platničkou (Schmidtovým koberčekom). Na obr. 6 vidieť, že stenový vykurovací systém dosahoval v ustálenom stave pri daných okrajových podmienkach hodnotu tepelného toku približne qi = 44,6 W/m2. Rovnako na obr. 6 je dobre vidieť rozdiel medzi povrchovou teplotou meranou v bodoch A-1 a D-1, ktoré sa nachádzajú na interiérovom povrchu steny nad rúrkami, a povrchovou teplotou meranou v bodoch B-1 a C-1, ktoré sa nachádzajú na interiérovom povrchu steny medzi rúrkami. Interiérová povrchová teplota Tpovrch,A-D dosahovala hodnotu 25,8 °C.

Povrchová teplota meraná v bodoch A-1 a D-1 je vyššia v porovnaní s povrchovou teplotou meranou v bodoch B-1 a C-1. Na obr. 6 je ďalej vidieť rozdiel teploty prívodnej Ts = 29,1 °C a vratnej vody Tv = 28,6 °C pri prevádzke vykurovania. Stenový systém má rýchly nábeh a pri daných okrajových podmienkach je systém v režime vykurovania spoľahlivý.

Záver

Cieľom experimentálneho merania bolo overenie prevádzky stenového vykurovania s rúrkami umiestneným vo vnútornej omietke. Meranými parametrami boli: tepelný tok, teplota v referenčných bodoch steny a časová reakcia systému. Skúmali sa dva prípady prevádzky systému v režime vykurovania pri rôznych okrajových podmienkach, ako je znázornené v tab. 2. V oboch prípadoch sa uvažovalo, že skúmaná stena susedí s exteriérom. Z výsledkov vyplýva, že exteriérové podmienky teploty vzduchu nemajú výrazný vplyv na tepelný tok. Na strane druhej treba konštatovať, že vplyv rýchlosti prúdenia vzduchu v interiérovej komore (v hotboxe) môže mať zásadný vplyv na tepelný výkon v závislosti od daných okrajových podmienok.

Z grafického znázornenia priebehu teploty v referenčných bodoch a tepelného toku možno konštatovať, že systém sálavého stenového vykurovania má relatívne rýchly nábeh a v skúmaných prípadoch sa javí ako spoľahlivý systém. Homogénne rozloženie teplôt je vidieť na termovíznej snímke na obr. 7. Na tepelný tok qi nemá významný vplyv rozdiel teplôt Tvzd,ext, ale rozdiel medzi teplotou vzduchu v hotboxe Tvzd,HB a teplotou prívodnej vody Ts.

Výsledky získané v režime vykurovania reprezentujúce podmienky pri vonkajšej teplote vzduchu 10 °C v zimnom období a teplote vody v rúrke 26 °C naznačujú, že je potrebná väčšia plocha ako pri vonkajšej teplote vzduchu 4 °C a teplote vody v rúrkach 29 °C. Výsledky získané v režime vykurovania reprezentujúce podmienky v prechodnom období pri vonkajšej teplote vzduchu 10 °C ukazujú, že pri predpokladaných tepelných stratách (0,8 kW) treba 32 m2 a v podmienkach s priemernou teplotou vonkajšieho vzduchu 4 °C v zimnom období treba 18 m2. Tepelný tok dosiahol hodnotu 24,8 W na m2 vykurovacej plochy pri vonkajšej teplote 10 °C a teplote vody v rúrkach 25 °C. Pri vonkajšej teplote vzduchu 4 °C a teplote 29 °C vody v rúrkach dosiahol tepelný tok hodnotu 44,6 W na m2 vykurovacej plochy. Povrchová teplota bola vyššia v bodoch A-1 a D-1 na rúrkach. Výkon by sa mohol zvýšiť, a to zvýšením povrchovej teploty až na 40 °C. V režime vykurovania je prípustný väčší rozsah povrchových teplôt.

Ďalší výskum bude zahŕňať testovanie širšieho rozsahu okrajových podmienok v režime vykurovania aj chladenia. Podrobné vizualizácie CFD distribúcie vzduchu a teploty v boxe pomôžu určiť koeficient prestupu tepla medzi povrchom stien a prostredím. Podrobné simulácie rozloženia teploty a tepelného toku vo fragmente steny pomôžu optimalizovať systém týkajúci sa rôznych materiálov. Budú stanovené prínosy systému z hľadiska modernizácie budovy a kombinácie s obnoviteľnými zdrojmi energie.

Poďakovanie

Tento výskum podporila Slovenská agentúra pre výskum a vývoj na základe zmluvy č. APVV-16-0126, grant Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR VEGA 1/0303/21 a 1/0304/21 a KEGA 005STU-4/2021. Ďakujeme spoločnosti PAVJAN, s. r. o., za pomoc pri výstavbe fragmentu steny, spoločnosti Regulaterm, s. r. o., za pomoc pri budovaní zariadenia zdroja tepla a chladu na experimentálne overenie stenového vykurovacieho systému a spoločnosti REHAU, s. r. o., za pomoc pri budovaní tepelne aktívnej vykurovacej a chladiacej vrstvy fragmentu steny.

Literatúra

[1] Romaní, J. – Pérez, G. – de Gracia, A. Experimental evaluation of a cooling radiant wall coupled to a ground heat exchanger. In: Energy Build, 2016, s. 484 – 490.

[2] Zhu, Q. – Li, A. – Xie, J. a kol. Experimental validation of a semi-dynamic simplified model of active pipe-embedded building envelope. In: International Journal of Thermal Sciences, 2016, s. 70 – 80.

[3] Xie, J. – Zhu, Q. – Xu, X. An active pipe-embedded building envelope for utilizing low-grade energy sources. In: Journal of Central South University, 2012, s. 1 663 – 1 667.

[4] Babiak, J. – Olesen, B. W. – Petráš, D. Low temperature heating and high temperature cooling. Rehva Guidebook, No 7. 3rd revised ed. Brussels: Rehva 2013, p. 108.

[5] Bojić, M. – Cvetković, D. – Marjanović, V. a kol. Performances of low temperature radiant heating systems. In: Energy Build, 2013, s. 233 – 238.

[6] Karabay, H. – Arici, M. – Sandik, M. A numerical investigation of fluid flow and heat transfer inside a room for floor heating and wall heating systems. In: Energy Build, 2013, s. 471 – 478.

[7] Myhren, J. A. – Holmberg, S. Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating. In: Energy Build, 2008, s. 524 – 536.

[8] Mikeska, T. – Svendsen, S. Study of thermal performance of capillary micro tubes integrated into the building sandwich element made of high performance concrete. In: Applied Thermal Engineering, 2013, s. 576 – 584.

[9] Krajčík, M. – Šikula, O. The possibilities and limitations of using radiant wall cooling in new and retrofitted existing buildings. In: Applied Thermal Engineering, 2020, s. 114490.

[10] Lakatos, Á. Comprehensive thermal transmittance investigations carried out on opaque aerogel insulation blanket. In: Materials and Structures, 2016.

Ing. Martin Šimko, PhD.
prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.
Mgr. Daniel Szabó
Stavebná fakulta STU Bratislava
Katedra technických zariadení budov
Katedra konštrukcií pozemných stavieb
Radlinského 11
810 05 Bratislava
martin.simko@stuba.sk