NETRADIČNÉ FYZIKÁLNE PRINCÍPY V STAVEBNÍCTVE
V dostupnej literatúre a na weboch, alebo v normach sa dozvieme o bežných spôsoboch získavania teplenej energie pre rodinné domy, alebo o spôsoboch ako zvýšiť efektivitu pri výrobe tepla, napríklad formou tepelných čerpadiel a podobne.
V tejto súvislosti by sme však mohli uvažovať aj s inými zdrojmi tepla, ktoré sa v RD využívajú niekedy nevedome a inokedy vedome.
Niektoré z nich uvediem:
- akumulácia tepla sezónna, denná, ročná atd. Tu by sme mohli spomenúť v minulosti využívané ľadovne, ktoré si ludia robili v zemi kde nosili niekoľko rokov po sebe ľad, ktorý odobral z okolia pivnice/mraznička toľko tepla, že s využitím zotrvačnosti teploty vznikla trvalá chladnička. ďalším príkladom je v minulosti využívaná akumulácia tepla v akumulačnej peci. Alebo dnes stále neznáma akumulácia do dreva (veľmi zaujímavá téma, ktorej sa bude venovať ďalší text) a iné formy akumulácie.
- zotrvačnosť teploty. Ako je spomenuté v predchádzajúcej odrážke, zotrvačnosť teploty bola využívaná vo výrobe trvalých chladničiek u našich predkov ale aj na hradoch (Bojnice atd). Zotrvačnosť spolu s neustálenosťou deja čiastočne využívame aj pri zastavení letného prehrievania.
- neustálené oblasti fyzikálnych dejov. typickým príkladom kde využívame neustálenosť deja, v tomto prípade prestupu tepla, je využívanie efektu tzy. “fázoveho posunu teplotného kmitu” alebo tepelnej vlny. Podobný efekt vieme využiť aj v zimnom období, kedy vieme pracovať s faktom, že ak chce teplo kontinuálne prechádzať z jednej strany stena na druhú, tak najskôr sa musí zohriať celý objem steny. Ide o efekt pretekajúceho sudu s vodou, ktorý napúšťame. Čiže voda začne zo sudu vytekať až vtedy ked sa sud naplní. a iné príklady (ľudia v labyrinte a podobne). V minulosti sa tento efekt využíval v hlinených stavbách s hrubými hlinenými stenami o hrúbke až 1,5m.
- rôzne formy tepelných bariér. V minulosti si naši predkovia dávali na severné vonkajšie steny napríklad drevo, alebo mali dom obstavaný chlievmi, komorami a inými objektami, v ktorých vznikla tepelná bariéra, ktorej teplota bola v zime vyššia ako je teplota exteriéru a v lete naopak.
- zmena fázy látok. Sem patrí napríklad už spomenuté ochladzovanie vyparovaním, alebo tepelný zisk kondenzáciou v rekuperátore. Najsofistikovanejším spôsobom využitia zmeny fázy sú akumulátory tepla ale o nich viac v ďalšom texte. V bežnej praxi naši predkovia nevedome využívali zmeny fázy vody v hlinených omietkach. Dnes sa podobný efekt využíva v sadrokartonových povrchoch, ale rôznych kvázi betónoch akými sú napríklad konopný betón, alebo známe hlinené omietky a nepálené tehly.
- kombinácie predchádzajúcich spôsobov a iné metódy
Všetky spomenuté metódy úspory tepla, alebo jeho premiesťovania v čase môžu mať pri dnešných moderných domov so stratami z obrázku 1. tak významný efekt, že RD sa môže ľahko dostať do stavu bez nutnosti kúrenia, alebo k úspore na ohreve TUV viac ako 50% výlučne pasívnym spôsobom.
A preto sa týmto metódam je nutné venovať čo najviac, lebo ide o potenciálne veľmi účinnú formu získavania enerhgie, ktorá doposiaľ nebola podrobne popísaná ani prakticky uchopená tak aby sa stala bežne dostupnou.
Táto téma je populárna skôr medzi amatérmi a hľadačnmi senzácií, ktorí často dosahujú veľmi dobré výsledky. Tieto výsledky sú však nepoužiteľné bez predchádzajúcej analýzy a exaktného popisu daných javov, na základe ktorého by sme vedeli následne zostaviť rovnice, predikovať budúci vývoj a na základe presných dát navrhovať stavby. Táto kniha sa však o to pokúsi.
Obrázok 1. – Tepelné straty v moderných stavbách triedy A0
V dnešnej praxi pri návrhu veľmi úsporných stavieb využívame postupy uvedené v normách a rôznych metodikách, ktoré nás “nabádajú” ku:
- znižovaniu tepelných strát prestupom tepla konštrukciu,
- od ktorých odpočítame tepelné (spotrebiče, osoby …), alebo iné energetické zisky (FVE a podobne),
- ďalej uplatníme účinnosti rôznych zariadení ako sú tepelné čerpadlá,
- alebo rôzne koeficienty ako je napríklad koeficient pre Globálny ukazovateľ pre spaľovanie biomasy % dreva v peci, ktorého hodnota je výsledkom je nejaké číslo a touto hodnotou násobíme tepelné straty čím dostaneme priaznivé číslo ktoré v energetickom certifikáte voláme Globálny Ukazovateľ,
- na základe ktorého určujeme energetickú triedu stavby, dnes potrebnú v triede A0.
Globálny ukazovateľ je však len číslo, ale táto hodnota nám de facto nehovorí nič o skutočnej tepelnej strate stavby. A potom sa môže ľahko stať, že aj stavba s MPT (merné potrebné teplo = skutočný únik tepla zo stavby) 60kWh/m2.rok sa môže stať relatívne úspornou stavbou ak zahrnieme vplyv účinnosti TČ alebo vplyv FVE a ľahko sa môžeme dostať so stabou s MPT 60kWh/m2.rok na hodnotu 0kWh/m2.rok, ale fakt, že zo stavby stále unniká teplo o objeme 6000kWh sa nezmenil. Jediné čo sa zmenilo je odoberanie energie zo zdroja energie (zo zástrčky).
Príklad:
Globálny ukazovateľ = (60kWh/m2.rok x 100m2 /plocha stavby/ x 0,3 /koeficient pre TČ/) – 2000kWh z FVE = 6000/3 -2000 = 2000 – 2000 = 0kWh/m2.rok
Pripomeňme si rôzne formy znižovania tepelných strát s využitím rôznych netradičných fyzikálnych principov.
Sú to tieto najhlavnejšie spôsoby, ktorým sa v tomto texte budem venovať:
- akumulácia tepla
- neustálené oblasti fyzikálnych dejov (relaxácia teploty a iné)
- rôzne formy tepelnych bariér
- zmena fázy látok
- kombinácie predchádzajúcich spôsobov a iné metódy
Ako som už spomenul skôr, ide o neprebádanú oblasť z hľadiska praktického využitia v stavebníctve, aj keď v iných oblastiach priemyslu ide o známe princípy (napríklad strojárstvo) a často využívané. Táto oblasť fyziky ponúka ohromné možnosti, prostredníctvom ktorých je možné dosiahnúť sebestačnosť takmer bez investícií navyše oproti cene stavby, a bez použitia špeciálnych technológií, ktoré podliehajú opravám a výmene po ukončení svojej životnosti.
V tejto časti sa budem bližšie venovať dvom z nich. Teplo uvoľnené/uskladnené pri fázových zmenách a Priamej akumulácii tepla do tepelnej batérie, nakoľko tieto dva princípy sú veľmi zaujímavé a v iných oblastiach priemyslu zvládnuté.
TEPLO UVOĽNENÉ PRI FAZOVYCH ZMENACH
Takmer všetky látky na Zemi prechádzajú tromi stavbvmi alebo tromi fázami. Je to tuhá látka, kvapalina a plyn. Pri zmene fázy nastáva tzv. výdrž na teplote, a tá trvá tak dlho kým sa nepremení celý objem na danú fázu.
Energie ktoré sú potrebné pri zmenách fáz, sú ohromné a vyjadrujeme ich podobne ako mernú tepelnú kapacitu “c” v jednotkách J/kg.K, teda koľko Joulov potrebujeme na zmenu fázy látky ťažkej 1kg ak na ňu pôsobíme teplotou o 1K vyššou ako je teplota zmeny fázy. Z tabuľky 1 vidíme že potenciál tejto energie je obrovský, a je len na nás ako tieto potenciálne formy energie využijeme.
Tabuľka 1. merná energia vody a jej skupenstiev, a merna energia pri fázovej zmene voda na paru a ľad.
V tabuľke 1. je v prvom riadku známa hodnota mernej tepelnej kapacity vody, ktorú využívame pri akumulácii tepla v akumulačných nádržiach ako sčasti vykurovacieho okruhu.
Uložená energia v nádrži
Q = m . c . (T2 – T1)
kde
Q – teplo uložené v nádrži (J)
m – hmotnosť náplne nádrže (kg)
c – špecifická (alebo merná) tepelná kapacita (J/kg.K)
T2 – teplota zohriatej vody (média) (°C alebo K)
T1 – najnižšia teplota vody v nádrži ktorú dokážeme užitočne využiť (°C alebo K)
Tabuľka ale obsahuje údaj, ktorý vyčnieva už na prvý pohľad, je to latentné teplo pri zmene skupenstva vody na vodnú paru, alebo naopak z pary na vodu. Táto hodnota je asi 500x vyššia ako špecifická (alebo merná) tepelná kapacita vody.
Aby sme si vedeli v praxi predstaviť o ako to môžeme využiť a aj využívame, tak si predstavme napríklad sadrokarton,, ktorý v lete do seba “nasaje” vodnú paru, ktorá sa premení na viazanú alebo voľnú vodu, a SDK zvlhne. Večer ked klesne teplota a SDk sa snaží vodu zo seba “vydať” do okolia tak dochádza k odparovaniu a SDK chladne.
Keby sme chceli vedieť akú energiu SDK pri tomto odoberie okoliu, tak nám na výpočet poslúži práve hodnota 2.260.000 J/kg.K a keby sme poznali objem/hmotnosť odparenej vody z SDK, tak by sme vedeli spočítať energiu ochladenia priestoru.
Pre 1kg je to presne hodnota 2.260.000 J ak SDK ochladne o 1°C. Po prepočte na kWh ide o hodnotu 0,62kWh pre 1kg odparenej vody, čo je značná energia.
Tento efekt sa využíva v tepelných batériách s fázovou zmenou kde by napríklad 100kg (100L) vody dosiahlo pri zmene teploty 1°C uvoľnenú, alebo odobratú energiu 62kWh. Voda je však na podobné úkony nepoužiteľná, lebo fázová zmena nastáva pri teplote 86°C až 100°C (teplota premeny vody na paru a naopak).
Zaujímavým materiálom je však modifikovaný parafín označovaný aj ako PCM, ktorého parametre sú v tabuľke 2.
Tabuľka 2. Základné fyzikálne vlastnosti parafínu a modifikovaného parafínu PCM
Vosk je zaujímavý pre jeho teplotu zmeny fázy z tuhej (solidus) na kvapalnú (liquidus). teplota tavenia bežného parafínu je však pomerne vysoká, asi 50°C (tabuľka 2), ale existujú modifikované parafíny (komerčný PCM produkt od Rubitherm GmbH, alebo PCM od firmy BASF a iné) označované tiež PCM ktorých teplota tavenia/tuhnutia je okolo 30°C a preto sú použiteľné a aj sa používajú na chladenie budov, alebo ako chladenie elektroniky a iné aplikácie v strojárstve alebo elektrotechnicke, ci chemickom priemysle.
Takýto parafín je možné aplikovať napríklad do sadrokartonu alebo do rôznych podlahových zmesí, ktoré v lete dochádza k jeho premene počas dňa na kvapalný alebo tuhý parafín. Pre zmene fázy dokáže cez deň (pri topení) z okolia odobrať značné množstvo energie, čím okolie ochlad.
Na tomto princípe sa vytvárajú aj PCM batérie využívajúce zmenu fázy.
PCM tepelné batérie sú však veľmi drahé, ale ich spoľahlivosť je pomerne vysoká.
PRIAME USKLADNENIE TEPELNEJ ENERGIE – TEPELNE BATÉRIE
Využívanie zmeny fázy látok je veľmi zaujímavá oblasť netradičných metód získavania energie a jej prenos v čase. Avšak ide o nákladnú metódu ktorá v princípe zvyšuje cenu stavby a preto som sa tejto metóde po zvážení možností výroby takejto batérie nevenoval. Mojim cieľom bolo vždy navrhovať konštrukcie, ktoré je možné vyrobiť v “domácich” podmienkach priamo na stavbe.
Moja skúsenosť mi hovorí, že ak využijeme všetko čo máme k dispozícii ( strecha, podlahy, steny, priečky, betonove plochy, okná, závesy, nádrže na vodu, a iné veci ktoré používame v stavbe) a dáme veciam viac funkcií a medzi sebou ich skombinujeme, tak dokážeme stavbu udržať v stave bez kúrenia vpodstate bez zvýšenia ceny stavby.
Jediný problém, ktorý som v minulosti nedokázal vyriešiť veľmi dlhú dobu bol pasívny ohrev TUV, ktorý je spojený s vyššou teplotou, a keďže platí termodynamicka veta ktorá hovorí že teplo sa šíri vždy z teplejšieho telesa na chladnejšie, tak je ťažké nájsť aj v zime niečo pasivne čo je teplejšie ako 35°C, (35°C je približne minimálna teplota na teplú vodu na sprchovanie).
My však počas roka, v lete, takéto teploty dosahujeme na rôznych povrchoch ako napríklad betón pred domom na ktorý svieti slnko ma teplotu až okolo 75°C (v správnom sklone a orientácii), alebo strecha, povrch FV panelov a podobne a túto teplotu môžeme použiť ohrev TUV.
Ale je ťažké energiu z týchto plôch preniesť v čase do zimy.
Dokážeme to samozrejme akumuláciou tepla ako sme si ukázali v PCM tepelnej batérii, ale aj v priamo zohrievanej tepelenej batérii. Teoreticky sa to opäť ľahko napíše ale ťažko uskutoční.
Problém totiž nástane vtedy keď si uvedomíme že tepelna batéria samovoľne chladne. Opäť by sme mohli ľahko napísať že: “veď ju môžeme zatepliť”. Áno, môžeme, ale ke´d si popíšeme ako rýchlo teplo z takej batérie vie unikať, tak zistíme, že musíme zmeniť spôsob uvažovania, čo u mňa samozrejme v istom okamihu tiež nastalo
Pri chladnuti nejakého teple sa platí ze rýchlosť chladnuti je tým vyššia
- čím vyšší je rozdiel teplôt T2-T1
- čím vyššia je plocha cez ktorú teleso chladne
- a čím väčšia je vodivost tepla na rozhraní oboch prostredí, alebo cim ľudovo napísané, čím horšie je zateplenie.
Začnem zateplením, lebo tu dochádza často k zlému pochopeniu toho ako si zateplenie máme vlastne predstaviť.
Tepelná izolácia
Zakladnym parametrom každej tepelnej izolácie, ktorý hľadáme v technických listoch je hodnota U, alebo hodnota prestupu tepla (niekedy označovaný aj “k”).
Parameter “U” by sme si mohli vysvetliť na jeho jednotke W/m2.°C alebo W/m2.K (°C a Kevin sú v tomto prípade ekvivalentné parametre)
Ale jednotka W/m2.°C môžem prepísať aj na jednotku J/s.m2.°C nakoľko J/s=W.
Keď si to potom prepíšeme do ľudskej reči, tak hodnotu U by sme definovali ako množstvo tepelnej energie v Jouloch, ktoré prejde za 1 sekundu cez stenu o ploche 1m2, pri rozdiele teplôt medzi exteriérom T2 a interiérom T1 rovnom rozdielu 1°C
Tu vidíme že z jednotiek rôznych parametrov môžeme veľa vyčítať a v tomto prípade sme vyčítali to, že čím je väčší rozdiel teplôt (T2-T1) tým rýchlejšie teplo prúdi z teplejsej na chaldnejou stranu!
A tu sa dostávame k základnému “Achylovej päte”všetkých tepelných batérii, ktorou je ich vysoká teplota (okrem tých ktoré vsádzajú na zmenu fázy, lebo dokážu pracovať pri relatívne nízkych teplotách).
Častokrát sa v praxi stáva to, že tepelná batéria chladne tak rýchlo, že nám vychladne skôr ako príde zima, a v zime už nemáme v batérii dostatok energie ako sme uvažovali v teoretickom výpočte (pri vysokoteplotnej batérii predpokladáme vysoké teploty až do 1000°C)
Na internete je veľké množstvo tepelných batérii, ktoré potom už v januári nemajú dostatok energie, a batériu musime dotovať častokrát väčšou energiou ako je energia potrebná na kúrenie domu, alebo ohrev vody, a autori takýchto tepelných batérií sa často v stave istého zúfalstva, a uvedomenia si financií, ktoré investovali do výskumu, držia tohto smeru (vysokej teploty) aj keď už dávno vedia že je to neefektívne. Takýchto príkladov nájdeme na youtube viacero.
Základným problémom je však to, že autori týchto batérií sa spoliehali na pomerne zidealizované vlastnosti okolia batérie, a nevykonali základný výskum. Ja som myšlienku vysokoteplotnej batérie opustil pomerne krátko po Startup 2014 so zemným akumulátorom tepla, čomu predchádzali isté zistenia z výskumu podložia kde mala byť tepelná batéria umiestnená.
Pred akýmkoľvek výskumom odporúčam urobiť si aspoň základné jednoduché modely a výpočty. V nasledujúcich grafoch, s ktorými vám pomôže aj umelá inteligencia môžeme pochopiť pomerne veľa.
Grafické znázornenie
tepelnej batérie prebieha podľa krivky ktorá je schematicky zobrazená na obrázku nižšie.
Ide o hypoteticku tepelnu batériu tvorenu zeminou:
- hustote 1800kg/m3,
- tepelnej kapacite “c” =800J/kg.K
- o rozmeroch 100m2 x 2m výška
- s tepelnou izoláciou s hodnotou R=10m2.K/W, alebo U=0,1W/m2.K
- pri teplote batérie 300°C a teplote okolitej zeminy 13°C ktorá je stabilná z dôvodu chladenia spodnou vodou do 20m hĺbky spodnej vody.
Obrázok: Tabuľka hustoty hornín
grafické znázornenie tabuľky
Na ďalšom grafe je grafický znázornené koľko kWh z tepelnej baterie uniká v čase počas roka
Celková energia ktorá je do tepelnej batérie ulozena na konci leta je
Q= m.c.(T2-T1) = 200m3 . 1800kg/m3 . 800J/kg.K (300°C – 13°C) = 22,960MWh
po úprave Joulov na kWh ( Jouly deleno 3600 sekúnd, deleno 1.000.000 co je jednotka pre Mega)
Z grafov vidime že najextrémnejsie chladnutie teplenej batérie je v prvých dňoch po zohriati. Toto zistenie nám musí okamžite udrieť do očí a mali by sme si uvedomiť, že udržiavať batériu na tak vysokej teplote nie je rozumné.
Z teploty 300°C na teplotu okolo 50°C ochladne za prvých asi 50 dní.
Ak uvažujeme ideálne podmienky a nepredpokladáme chladnutie vplyvom dažďovej vody a navrhnutia obsahu batérie! Takže zatiaľ uvažujeme s ideálnymi podmienkami.
Ak batéria s pôvodnou teplotou 300°C klesne na 50°C tak energia obsiahnutá v batérii klesne 300/50=6 násobne. A zo zaokrúhlene 23MWh nám ostáva už len 23/6 = 3,8MWh. Ide však stále o dostatočnú energiu vhodnú pre ohrev TUV, ale už nie na plnohodnotné kúrenie vo väčšine stavieb.
Skúsme tepelný odpor zateplenia batérie zvýšiť z pôvodných 10m2.K/W, na 20m2.K/W, čo pri XPS predstavuje zväčšenie hrúbky z 320mm na 640mm.
Ak by sme tepelnú izoláciu zvýšili na hodnotu R=20 alebo U=0,05W/m2.K tak by sa situácia výrazne zlepšila.
Tu vidíme že teplota batérie klesla na teplotu asi 50°C po vyše 100 dňoch, za ideálnych podmienok. Nakoľko ide o skoro 4 mesiace, tak tu by už sa dalo hovoriť o zaujímavej akumulácii.
Ale koľko by toto cele stalo za idelanych podmienok, kedy by sme nemuseli riešiť hydro izoláciu tepelnej batérie?
Objem teplenej izolacie=
100m2 + 100m2 + (40m obvod x 2m výška) = 280m2 tepelnej izolácie
Pri hrúbke 320mm je objem 280×0,32= 89,6m2 bez odpadu. S odpadom asi 95m3
Pri hrúbke 640mm je to už objem 190m3 XPS ktorého cena je značná. (v roku 2024 bola cena XPS okolo 110€/m3 pre stavebné firmy, čím by sa iba cena XPS pohybovala na úrovni okolo 20.000€)
XPS je však nevhodná teplena izolácia pre teploty 300°C a museli by sme použiť teplenu izoláciu kamennú vatu.
Kamenná vata je však náchylná na vlhnutie a zmenu tepelnej vodivosti vplyvom vlhkosti a teploty.
Okolo kamennej vaty by sme museli vybetónovať sarkofág z vodotesného betónu aby na vatu nepôsobil tlak zeminy, a jej vlhkosť. Sarkofág by sme museli z vnutra zaizolovať vatou, použiť separačnú vrstvu, a akumulátor vyplniť niečím podobným ako hlina, napríklad piesok.
Do výpočtu ceny by sme potom zahrnuli
- Hrúbky teplenej izolácie
- Objem vodotesného betónu
- piesok alebo niečo podobné (napríklad aj betón)
- Šalung na betón na vodotesný obal
- A prácu
Pri kamennej vate by sme museli uvažovať so zvýšenou tepelnou vodivosťou a odhadovaná hodnota λ by som odhadoval na okolo 0,05W/m.K, čím by hrúbka vaty stupňa pri U=0,05 na hrúbku 1000mm. Čo predstavuje objem skoro 300m3. Táto kamenná vata však musí odolať hmotnosti/tiaži objemu tepelnej batérie. Pri výške 2m a hustote okolo 1800kg/m3 ide o hmotnosť 3,6 tóny na m2. Čo predstavuje tlak 36kPa. Takáto kamenná vlna na trhu nie je. Najbližšie je Isover LAM s odporom 30kPa pri 10% stlačení, ktorej cena je v roku 2024 okolo 180€/m3. To by predstavovalo cenu iba tepelnej izolácie okolo 54.000€.
Plocha batérie kde by sme museli umiestniť betónový sarkofág by sa zvýšila o 1m na každý stranu a z pôvodných 280m2 by vznikla plocha 330m2.
Ak by sme uvažovali hrúbku betónu okolo 30cm tak objem betónu by bol približne 100m3 co v roku 2024 predstavovalo cenu asi 15.000€ pre vodeodolný betón
V tomto okamihu je cena tepelnej batérie na hodnote asi 70.000€ bez zahrnutá ceny za
- Výkopové práce
- Ľudskú prácu
- Salovacie dielce
- samotná výplň batérie
- Ocel
- A iné
Samozrejme mohli by sme použiť nižšiu výšku, nižšie teploty a následnej menej tepelnej izolácie, čím by sa ale zmenil objem tepla v batérii, a iné opatrenia..
Na toto všetko ale vplýva mnoho ďalších otáznikov.
Jedným z nich je to že my uvažujeme ideálny prestup tepla medzi výmenníkom tepla v batérii a pieskom alebo hlinou. Tu si musíme uvedomiť že nejde o batériu vodnú kde dochádza k stratifikácii=premiešavaniu tepla v objeme batérie, ktoré prakticky idealizuje prestup tepla z objemu batérie do výmenníka, ale pri piesku, betóne, zemine a podobne sa musíme spoliehať výlučne na tepelnú vodivosť, pri ktorej teplo putuje od zrnka k zrnku piesku a tým sa celý proces regenerácie okolia výmenníka časovo predlžuje a situácia sa opäť komplikuje.
Preto tento smer bol podľa mojich skúseností neakceptovateľný a ako logická varianta vyplývajúca z prvotného výpočtu a základného výskumu bola
tepelná batéria s nízkou teplotou do asi 50°C. Čo sa nakoniec v praxi ukázalo ako správne riešenie,
nakoľko batéria s nízkou teplotou si nevyžaduje vysoké nároky na tepelné izolácie, a ani na objemy ak sa teplena batéria spojí s ďalšími netradičnými metódami, ktoré budú spomenuté neskôr.
ÚVOD do problematiky netradičných fyzikálnych princípov nám však ukázal že táto oblasť vedy má obrovský potenciál, a stojí za to sa ňou ďalej zaoberať.
