Термоактивни сградни системи

Няколко тенденции показват, че нуждите от охлаждане в сградите се увеличават поради променения комфорт в помещенията, по-екстремни метеорологични условия и нови строителни норми с по-строги изисквания. Обещаваща стратегия за устойчиво охлаждане са решенията, базирани на вода, използващи големи лъчисти повърхности при относително високи температури, съчетани със свободни източници за охлаждане. Чрез използването на големи повърхности може да се постигне отопление и охлаждане при температури, близки до околната среда, които предлагат оптимални условия за работа за интегриране на възобновяема енергия и свободно охлаждане. В сгради, където моделът на заетост води до големи охлаждащи натоварвания през деня, вградените водни системи могат допълнително да доведат до значително намаляване на пиковото натоварване и последващо намаляване на размера на инсталацията.

Термичният контрол е много важен за човешкия комфорт и за някои видове процеси. През зимния сезон къщите, апартаментите, търговските сгради и други видове закрити помещения трябва да се затоплят, докато през летния сезон те трябва да бъдат охладени и в днешно време има оборудване, с което това да се постигне. Тези съоръжения обаче консумират голямо количество енергия. В света се увеличава броят на сградите, фабриките и т.н., като така се увеличава и броят на съоръженията за отопление/охлаждане. Ето защо е време да се погрижим за източниците на енергия. Естествената вентилация, съчетана със слънчева защита, е най-ефективната стратегия за изграждане на биоклиматичен дизайн с цел подобряване на топлинния комфорт чрез пасивни средства. Въпреки тези благоприятни условия, броят на сградите, които се променят в активни системи като основна стратегия за охлаждане, продължава да нараства неумолимо. След това се появяват термините "устойчиви сгради" ("зелени" сгради), които са отговорни за околната среда и ресурсно ефективни структури по време на цикъла на живот. Зелената сграда означава да се намали цялостното въздействие на застроената околна среда върху човешкото здраве и природната среда чрез ефективно използване на енергия, вода и други ресурси, защита на здравето на обитателите и подобряване на продуктивността на служителите и намаляване на отпадъците, замърсяването и влошаването на околната среда.

По-нов и различен метод за подобряване на ефективността на оборудването е термоактивна сградна система (TABS). Тази технология помага на сградата да се охлади или да се затопли чрез използването на енергия от околната среда. За приложението на TABS трябва да бъдат взети някои мерки по време на цялостния дизайн на сградата, като защита от слънце, достатъчен капацитет за съхранение на топлина в сградата, много добра топлоизолация и основна вентилация с хигиенично необходимо обновяване на въздуха. Всички тези характеристики могат да бъдат постигнати благодарение на желаната площ на сградата и правилните строителни материали.

TABS са системи за отопление/охлаждане на базата на вода, при които тръбите са вградени в бетонните плочи на сградите. Особено предимство на TABS е, че се намалява върховото натоварване чрез активиране на топлинния капацитет за съхранение на бетонните плочи.

Използването на термоактивните сградни системи е започнало в началото на 90-те години в Швейцария. От края на 90-те години TABS е инсталиран в много нови офис сгради в Централна Европа. Оттогава насам тенденцията за използването им се разпространява в други части на Европа, Северна Америка и Източна Азия. През 2005г. бяха предвидени редица европейски стандарти за изчисляване на проектния капацитет за отопление/охлаждане при постоянни условия на TABS, оразмеряване, инсталиране и проектиране на системата, базирани на прости изчисления по отношение на температурното отклонение по време на заетостта.

Тъй като процесът на топлопреминаване между вода и помещение е доста различен от конвенционалните въздушни системи, разработен е международен стандарт за отоплителни и охладителни системи с лъчиста енергия, базиран на дизайна на системата и съществуващите стандарти от различни страни, публикуван през 2012г. Въведен е стандартът ISO 11855 за Проектиране на околната среда в сградата, оразмеряване, инсталиране и управление на вградените системи за отопление и охлаждане, 6-11, състоящ се от шест части, посветени на Определения, символи и критерии за комфорт, Определяне на капацитета за проектиране и отопление и охлаждане, Проектиране и оразмеряване, Определяне и изчисляване на динамичния капацитет на отопление и охлаждане на термоактивните сградни системи, Монтаж и Контрол.

Намаляването на върховия товар води до няколко предимства, например намалена инвестиция за охладителното оборудване и намалена цена на инсталацията. В сградите, използващи TABS в комбинация с вентилационна система, се очакват добри вътрешни термични условия и качество на въздуха в помещенията.

Концепция на TABS
TABS са вградена система за отопление и охлаждане на базата на вода, където тръбата е вградена в централната бетонна плоча на сградата. Голямата особеност на този тип лъчиста повърхностна система е термичното свързване на излъчващия елемент (напр. тръбата) с основната конструкция на сградата (бетонна стена или таван).

Термоактивните сградни системи използват високата термична инерция на плочата за намаляване на необходимата максимална охлаждаща мощност, така че да е възможно да се охлаждат структурите на сградата в продължение на период, през който обитателите отсъстват. По този начин разходите за енергия могат да бъдат намалени, като се използва по-ниската нощна тарифа на електроенергията. В същото време е възможно намаляване на размера на компонентите на отоплителната/охлаждащата система (включително охладителя). Тъй като използваната температура на водата е близо до стайната температура, коефициентът на енергийна ефективност (COP) на охладителите и термопомпите ще се увеличи и потреблението на енергия ще намалее.

През деня топлината се извлича от заеманата площ чрез вентилационната система, когато температурата на захранващия въздух е по-ниска от температурата на отработения въздух. Голяма част от нея се съхранява в бетонните плочи. След това през нощта нивото на вентилация се намалява и циркулацията на хладка вода в плочите премахва съхраняваната топлина.

TABS може да се използва с естествена и механична дневна и нощна вентилация, със или без изсушаване, в зависимост от външния климат и вътрешната влажност. Максималната мощност на охлаждане, необходима за изсушаване на вентилационния въздух през деня, е достатъчна за охлаждане на плочата през нощта.

Този подход към лъчистото отопление/охлаждане на сградната система, състоящ се от тръби, вградени в бетонни плочи, започва през 30-те години. В Швейцария през 1937г. е инсталирана лъчиста система, наречена Crittall, направена с вградени стоманени заварени тръби в бетонна плоча.

Повечето от ранните системи се провалят поради кондензацията, която често се появява по време на работа в режим на охлаждане. Този проблем се изследва допълнително и резултатите показват, че кондензацията може да бъде избегната, ако лъчистата система се използва в комбинация с контрол на температурата на подаване на вода или вентилационната система за поддържане на ниска абсолютна влажност на въздуха в помещението.

Друг проблем е използването на стоманени тръби и риск от изтичане. В началото на 90-те години популярността на TABS започна да се увеличава. В Швейцария през 1993г. Р. Мейерханс изгражда система, използваща пластмасови PEX тръби.

Термоактивните сградни системи могат да се използват както за отопление, така и за охлаждане. Основната причина за използването им обаче е необходимостта от охлаждане, тъй като по-голямата част от топлообмена е над тавана, където коефициентът на топлообмен е най-висок в сравнение с другите повърхности (ISO 11855-2). Те често се използват в многоетажни сгради и частично заместват цялостната климатична система. Въздушната вентилационна система може да бъде намалена и да се избегнат окачени тавани, намалявайки височината на всеки етаж с приблизително 0.6m.

Вътрешна среда и TABS
Поради високата топлинна маса на системата, вътрешните температури ще се отклоняват в зоната на топлинен комфорт. Това означава, че системата за отопление или климатизация не поддържа постоянна температура, а степен на комфорт. Хората намират температурните отклонения в комфортната зона приемливи до 4oC/h. В типичните сгради с TABS степента на промяна е от 0,5 до 1oC/h. Важно е да се отбележи, че не е приемливо за обитателите да се движат извън комфортния диапазон, което означава общо изместване от 3oC до 4oC по време на заемане на помещенията.

TABS нямат директен ефект върху качеството на въздуха в помещенията, но вентилационната система се проектира да отговаря на критериите за качество на въздуха в помещенията и/или изискването за изсушаване. Тъй като изискваните температури на водата в повечето случаи са по-високи от 19°C, в много приложения също ще е възможно да има прозорци, които да работят и да разчитат на естествена вентилация.

Оптималният капацитет на TABS се получава, когато има свободен топлообмен между пространството и бетонните плочи. Това може да изисква разрешаване на акустични проблеми, без да се използват окачени таванни панели.

Охлаждащ капацитет на TABS
Изготвени са някои модели за изчисляване на конструктивната система за определяне на топлообмен в условия на нестабилни условия в единично помещение, определяне на термичен и хигрометричен баланс на въздуха в помещението, прогнозиране на условията за комфорт, проверка на кондензацията на повърхности, наличие на стратегии за контрол и изчисляване на входящата слънчева радиация. Използването на такива подробни изчислителни модели е ограничено поради големия период от време, необходим за симулациите. Разработването на по-лесен за ползване инструмент е осигурено в ISO 11855-3.

Важните фактори за отоплителната и охлаждащата способност на повърхностните системи са коефициентът на топлообмен между повърхността и помещението, приемливите минимални и максимални температури на повърхността въз основа на комфорта и отчитането на точката на оросяване в пространството и топлопреминаването между тръбите и повърхността. Коефициентът на топлообмен зависи от положението на повърхността и температурата на повърхността по отношение на стайната температура (отопление или охлаждане).

Инсталация на TABS
TABS се инсталират на място по време на строежа на сградата или се монтират в сглобяеми строителни елементи. Инсталация на място означава, че тръбите обикновено се монтират между горната и долната армировка в плочите. За да се ускори инсталирането, често е обичайно да се използва сглобен модул. Важно е да се направи тест за налягане на тръбите преди и след изливането на бетона.

Контрол
Дори ако повърхностните отоплителни и охладителни системи често имат по-висока топлинна маса от другите системи за отопление/охлаждане, те имат висока ефективност на управлението. Това се дължи отчасти на малката температурна разлика между помещението и системата (вода, повърхност) и произтичащата от това висока степен на самоконтрол. За да се избегне кондензация на охладена повърхност, необходимо е да се включи ограничение на температурата на водата, базирано на температурата на точката на оросяване.

В този случай индивидуалният контрол на помещенията не е разумен, но се препоръчва зонов контрол (юг-север), където температурата на захранващата вода, средната температура на водата или дебита могат да се контролират от зона на зона. Зонирането трябва да отчита външното и/или вътрешното топлинно натоварване. Относително малки температурни разлики между загрята или охладена повърхност и пространството са типични за TABS. Този въпрос води до значителна степен на самоконтрол. В конкретни случаи по отношение на добре проектирани системи с ниско натоварване на отопление/охлаждане, бетонната плоча може да се контролира до постоянна вътрешна температура през цялата година.

Интелигентната работа на TABS може да доведе до намаляване на върховото търсене на енергия, като всяка нощ се съхранява енергия и се освобождава през деня, или като се извършва само прекъсната работа през деня на помпата. Топлината по време на натоварване се натрупва в активната структура (плочи, стени) и през нощта се извлича чрез циркулираща хладка вода или чрез охлаждане. Поради тази причина, значителна ефективност може да се постигне чрез преместване на частичните товари през нощта, а топлинният източник (чилър, термопомпа) може да бъде намален от около 60% до 70% в зависимост от приложението.

Интегриране на възобновяеми енергийни източници
Използването на големи повърхности като излъчватели позволява отопление и охлаждане при температури, които са много близки до тези в околната среда. Това означава, че възобновяемата енергия, достъпна от земята, водата, слънцето и въздуха, може лесно да се интегрира и използва. Нагряването на земята може да бъде включено в системата чрез геотермални термопомпи.

Комбинирането на лъчиста охладителна система със свободен източник на охлаждане може да намали консумацията на енергия с 80-90%, тъй като традиционните охладители могат да бъдат елиминирани и е необходимо само електричество за циркулационните помпи. Подземните води имат идеални температурни нива за лъчисти охлаждащи системи. Като алтернатива, системите могат да работят с морско-водно охлаждане или соларно охлаждане, което използва абсорбционни охладители.

Намаляване на загубите
Освен нетните изисквания за топлинна енергия на сградата, обикновено има загуби до 20% от цялата отоплителна система. Тези допълнителни загуби могат да бъдат отнесени към котли, помпи, управление, разпределение, емисии и др.

Загубите на емисии зависят от избора и позиционирането на топлоизлъчвателите (подово отопление, радиатори и др.) и способността на системата да поддържа оптимален температурен профил и да компенсира промените в търсенето на топлина във времето.

Значителна част от тези загуби в системата могат да бъдат сведени до минимум чрез правилното проектиране и оформление на системните параметри като местоположение на излъчвателя в конструкцията, разстояние между тръбите и размери. Съществуват и значителни икономии, които могат да бъдат спечелени чрез разработването и прилагането на специализирани алгоритми за контрол.

Заключение и перспективи
Една лъчиста отоплителна и охладителна система прави търговските сгради по-енергийно ефективни, също и когато се съчетават с традиционна ОВК система. Лъчевата система работи с температури на водата, близки до температурата на околната среда, което позволява проектиране с ниска концентрация на енергия, водейки до намалена консумация на първична енергия. За оптимално оползотворяване на енергийните ресурси се предполага, че интегрираните водни системи с ниска температура са ключов елемент в бъдещата конструктивна практика и проектирането на енергийната система. Термичен комфорт с минимална консумация на енергия може да се постигне чрез използване на лъчиста отоплителна и охладителна система в комбинация с подходящо кондициониране на въздуха в помещенията. Отоплението може да бъде осигурено при оптимална ефективност, като се използват големи излъчватели с температури близки до околната среда и охлаждащите натоварвания могат ефективно да се отстранят при благоприятни температурни нива, като се използват безплатни източници на охлаждане с помощта на геотермална термопомпа.

Термоактивните строителни системи имат няколко основни предимства. Търсенето на охлаждане се разпределя за по-дълъг период през деня и се измества от дневно в нощно, което води до по-ниски максимални натоварвания, позволяващи използването на климатични инсталации с намалени размери. Чрез избягване на окачени тавани височината на сградата може да бъде намалена, което води до значителни икономии на строителни материали. Възможно е да се използват системи за отопление/охлаждане с температури, близки до стайната, което повишава енергийната ефективност на термопомпите, кондензационните котли, слънчевите колектори, топлообменниците. За охлаждане може да се използва нощна вентилация. TABS имат ниски инсталационни разходи, ниски експлоатационни разходи и разходи за поддръжка.

Проектирането и инсталирането на TABS има своите особености, които трябва да се вземат предвид. Изискванията на термично активните системи са активните топлинни плочи да се използват главно в многоетажни сгради. Липсата на окачени тавани изисква алтернативни акустични решения поради относително ниския капацитет на охлаждане. Проектирането на сградата е от решаващо значение – необходими са подходящи екрани за слънчева радиация, както и добра топлоизолация. Ако TABS се използва в стени и подове (без изолация към помещението), абсорбцията на дифузно и директно слънце ще увеличи значително капацитета за охлаждане.