ANALÝZA PODLAHOVÉHO OTOPNÉHO TLESA

Transkript

1 NÁZEV ZADÁNÍ ANALÝZA PODLAHOVÉHO OTOPNÉHO TLESA Analýza tepeln-technického chování inovovaného podlahového otopného tlesa na základ experimentálního mení a matematické simulace se zamením na teplotní pole ve vytápném prostoru a samotného tlesa. ÍSLO B001 JVTP VYPRACOVALI Prof. Ing. Jií Bašta, Ph.D. Ing. Tomáš Legner OBJEDNATEL ROZSAH PÍLOHY DATUM PEDÁNÍ Jihoeský vdeckotechnický park, a.s. pro ELVL s.r.o 23 stran 30 na CD 15. únor

2 Obsah 1. Zadání projektu Metody ešení Harmonogram plnní projektu Experiment Bezkontaktní mení teplot Matematická simulace Závr Seznam píloh

3 1. Zadání projektu Na základ vzniku smlouvy o poskytnutí služby mezi poskytovatelem, tj. eským vysokým technickým uením v Praze a objednatelem, tj. Jihoeským vdeckotechnickým parkem, a.s. pro ELVL s.r.o., vzniklo plnní zadání sjednané a specifikované jednatelem spolenosti ELVL p. Františkem Lapákem. Spolenost ELVL vyvíjí a rozšiuje portfolio svých výrobk o nové ady otopných tles zamených na ekonomicky efektivní provoz pro dosažení úsporného vytápní se zajištním tepelného komfortu ve vytápném prostoru. Vzhledem k tomu, že firma nedisponuje technickým vybavením ani kvalifikovaným personálním obsazením potebným pro mení, analýzu a simulaci chování otopných tles ve vytápném prostoru, rozhodla se tyto odborné služby nakoupit u poskytovatele. Zadání projektu se tak týká výzkumu v oblasti podlahového otopného tlesa BITHERM Floor 245/1000. Oekávaným výstupem projektu je analýza podlahového otopného tlesa vypracovaná na základ experimentálního mení a matematické simulace. Za cíl si klade objasnní tepeln technických projev inovovaného otopného tlesa umístného ve vytápném prostoru v podlaze ped prosklenou stnou. Analýza je rovnž zamena na teplotní a proudové pole ve vytápném prostoru, zejména na prbh teplotního pole v bezprostední blízkosti prosklené stny. Inovovaným produktem v rámci tohoto projektu je nová ada otopných tles urených k vestavb do podlahy ped prosklené stny. Výsledek projektu se stane souástí vyhodnocení inovace produktu, která má za cíl ešit následující problematiku ve vytápní. Do souasné doby se nepíznivé tepelné vlastnosti prosklených pláš u vtšiny budov eší podlahovými konvektory, které využívají pi sdílení tepla pirozené nebo nucené konvekce. Vzestupné proudní ohátého vzduchu z konvektoru bez ventilátoru však uspokojiv nezabrání chladným padajícím proudm, tvoícím se na povrchu chladného okna, dostat se do pobytové zóny vytápného prostoru. Povrch prosklené stny zstává chladný, nebo není dostaten osálán i ofukován teplým vzduchem. Následkem je nežádoucí snižování stední radianí teploty místnosti a tím dochází ke snižování míry pocitu tepelné pohody. U konvekního zpsobu vytápní je pak nezbytné zvýšit teplotu vzduchu ve vytápném prostoru, se kterou souvisí i vyšší tepelné ztráty a náklady na vytápní. U inovovaných podlahových otopných tles je ze strany výrobce pedpoklad, že se budou vyznaovat vyšší mírou tepelného záení a pi umístní tlesa do podlahy ped okno se projeví nejen konvekní, ale i sálavý efekt. Tento pedpoklad je nutno ovit a jeví se tak jako jeden z hlavních úkol projektu. 3

4 2. Metody ešení Poskytnuté služby spoívají v experimentální ásti, kde se jedná o laboratorní stanovení tepelného výkonu podlahového otopného tlesa, teplotního exponentu, který vyjaduje zmnu souinitele prostupu tepla stnou tlesa v závislosti na teplotních parametrech a zmapování povrchových teplot termovizní technikou v rámci dynamického chování podlahového otopného tlesa (pedevším nábh otopného tlesa). Poskytnuté služby spoívají rovnž v matematické simulaci dje sdílení tepla do definovaného vytápného prostoru od definovaného podlahového otopného tlesa. Vlastní experiment probhl v halových laboratoích Ústavu techniky prostedí, kde byla postavena zkušební tra pro mení tepelného výkonu podlahového otopného tlesa za podmínek podle SN EN 442, avšak na tzv. oteveném micím míst. Souástí experimentu bylo i bezkontaktní mení povrchových teplot podlahového otopného tlesa s cílem získání rozložení teplot jako vstupní údaj pro matematickou simulaci. Matematická simulace byla provedena v programu Fluent na základ experimentáln získaných a s odbratelem projektu dohodnutých okrajových podmínek. K posouzení chování podlahového otopného tlesa ve vytápném prostoru byla zvolena platforma Workbench od spolenosti ANSYS. V platform Workbench jsou zahrnuty nástroje pro tvorbu modelu, sít, výpotu i vyhodnocení. Model byl vytvoen v programu Design Modeler. 4

5 3. Harmonogram plnní projektu Záí 2016 V záí zapoaly pípravné práce na experimentu. Tyto práce zapoaly na základ Rozhodnutí o pidlení dotace ze dne i pesto, že ješt nebyla podepsána smlouva. Výstavba experimentální trat spoívala v instalaci mobilního zdroje tepla s jemným ultratermostatem, který je schopen držet teplotu pívodní vody s pesností ± 0,1 C. Byly osazeny teplomrné jímky a vzájemn ocejchován plovákový prtokomr spolu s ultrazvukovým prtokomrem pro mení prtoku podlahovým otopným tlesem. Po podepsání smlouvy dne bylo zahájeno jednání se spoleností ELVL s.r.o o dodání požadovaného vzorku. íjen 2016 Dne byl dodán dohodnutý a obma stranami schválený vzorek podlahového otopného tlesa v podob geometrického modulu (L = 1 m) za úelem zkoumání tepelného modulu (Q ve W/m). Tento vzorek byl neprodlen instalován do micí trat a zahájeno mení. Vzhledem k tomu, že Ústav techniky prostedí nedisponuje kalorimetrickou komorou podle SN EN 442, bylo mení provedeno na tzv. oteveném micím míst. Ostatní podmínky byly dle SN EN 442. Splnní podmínek urených SN EN pro mení podlahových konvektor s ochlazovanou instalaní stnou s teplotou 16 C však naše laborato neumožuje. Mení probíhalo pi šesti stacionárních teplotních stavech. Z nich byl vyhodnocen tepelný výkon, teplotní exponent otopného tlesa, charakteristická rovnice otopného tlesa a podíl tepelného výkonu sdíleného sáláním. Mení bylo realizováno pro pípad s instalovanou reflexní fólií pod výmníkem na dn skín otopného tlesa a bez instalace reflexní fólie. S prvními zpracovanými výsledky experimentu byl dne telefonicky seznámen jednatel spolenosti ELVL s.r.o. pan František Lapáek. Listopad 2016 Pro stanovení rovnomrnosti rozložení teplot byla využita termovizní technika (termokamera Flir T460), kdy byly snímány povrchové teploty tlesa pi nábhu na jmenovité teplotní parametry a za ustáleného stavu se jmenovitými teplotami vstupní a vratné vody. Vše bylo vyhodnoceno v programu ThermaCAM Researcher. V listopadu probhlo dokonení tvorby geometrického modelu vytápného prostoru s podlahovým otopným tlesem. Bylo provedeno první zasíování modelu programem Ansys Meshing a konzultováno se specialisty na matematické simulace. Pvodní úvaha byla, ešit model jako symetrický podle roviny, která prochází stedem okna. S ohledem na maximální zpesnní však uvažujeme model nezjednodušen, tj. jako celek. 5

6 Prosinec 2016 Byla spuštna první matematická simulace se zadanými okrajovými podmínkami, které byly získány experimentem. Boní stny, zadní stna, strop a podlaha jsou definovány jako adiabatické, kde tepelný tok stnami je roven nule. Okrajové podmínky u venkovní stny jsou zadány pes pestup tepla na venkovní stn a venkovní teplotu vzduchu. Podmínky jsou doplnny o tepeln technické vlastnosti okna a venkovní stny. Vlastnosti stn jsou voleny tak, aby výsledná teplota ve vytápném prostoru dosahovala rozptí 20 až 22 C a zárove souinitel prostupu tepla stavebních konstrukcí odpovídal SN Tepeln technické parametry okna byly zadány dle požadavku odbratele projektu. Hodnotícím parametrem je stední radianí teplota. Posuzovat budeme rovnž teplotní a proudové pole ve vytápném prostoru. Vzhledem k plnému posouzení se ukázalo, že bude nutné realizovat ješt druhou matematickou simulaci pro ist teplovzdušné vytápní. Leden 2017 Bylo upraveno zasíování modelu a povrchová teplota podlahového otopného tlesa. První s ohledem na konvergenci a druhé s ohledem na získání výsledné teploty uprosted vytápné místnosti v požadovaných mezích. Byla spuštna matematická simulace pro ist teplovzdušné vytápní, kde pívod teplého vzduchu je ve stejném míst a o stejném pdorysném rozmru, jako je podlahové otopné tleso. Nutnou podmínkou posouzení je dosažení stejné výsledné teploty v defininím míst (sted vytápné místnosti ve výšce 1,5 m), jako u prvního modelu. Rozhodujícím výsledkem pak bude porovnání stedních radianích teplot u prvního a druhého matematického modelu. Toto porovnání umožní posoudit vliv radianí složky od podlahového otopného tlesa. Únor 2017 Posouzení a vyhodnocení výsledk matematické simulace. Diskuse výsledk se zamením se na pínosy pro praxi, tj. odbratele projektu. Sepsání závrené zprávy a její pedání odbrateli a objednateli. Projednání závrené zprávy s jednatelem spolenosti ELVL, její pevzetí, pedání vzorku podlahového otopného tlesa BITHERM Floor 245/1000 a podepsání pedávacích protokol. 6

7 4. Experiment V záí zapoaly pípravné práce na experimentu. Výstavba experimentální trat spoívala v instalaci mobilního zdroje tepla s jemným ultratermostatem, který je schopen držet teplotu pívodní vody s pesností ± 0,1 C. Byly osazeny teplomrné jímky a vzájemn ocejchován plovákový prtokomr spolu s ultrazvukovým prtokomrem pro mení prtoku podlahovým otopným tlesem. Po dodání dohodnutého a obma stranami schváleného vzorku podlahového otopného tlesa byl vzorek neprodlen instalován do micí trat a zahájeno mení. Otopné tleso bylo v podob geometrického modulu (L = 1 m) za úelem zkoumání tepelného modulu (Q ve W/m). Vzhledem k tomu, že Ústav techniky prostedí nedisponuje kalorimetrickou komorou podle EN 442, bylo mení provedeno na tzv. oteveném micím míst. Ostatní podmínky byly dle SN EN 442. Splnní podmínek urených SN EN pro mení podlahových konvektor s ochlazovanou instalaní stnou s teplotou 16 C však naše laborato neumožuje. V rámci povrchové úpravy micího místa byla co nejvíce zohlednna instalaní praxe a dbalo se na jednotnou emisivitu roviny uložení podlahového otopného tlesa a instalaní stny (viz obr. 1 až 3). Obr. 1 Pohled na instalované podlahové otopné tleso BITHERM Floor 245/1000 Mení probíhalo pi šesti stacionárních teplotních stavech. Z nich byl vyhodnocen tepelný výkon, teplotní exponent otopného tlesa, charakteristická rovnice otopného tlesa a podíl tepelného výkonu sdíleného sáláním. Mení bylo realizováno pro dv instalaní provedení. První pípad bylo provedení s instalovanou reflexní fólií pod výmníkem tepla (žebrovkou) na 7

8 dn skín otopného tlesa. Druhé mení bylo provedeno bez instalace reflexní fólie na dn skín podlahového otopného tlesa pod výmníkem tepla. Schéma micí trat je uvedeno na obr. 4. Obr. 2 Pohled na detail pravé strany instalovaného podlahového otopného tlesa BITHERM Floor 245/1000 Obr. 3 Pohled na detail levé strany instalovaného podlahového otopného tlesa BITHERM Floor 245/1000 8

9 S prvními zpracovanými výsledky experimentu byl telefonicky dne seznámen jednatel spolenosti ELVL s.r.o. pan František Lapáek. Obr. 4 Schéma micí trat Mení s reflexní fólií na dn skín otopného tlesa Bylo provedeno šest mení pro rzné teplotní parametry vetn jmenovitých 75/65/20 C. Mení tepelného výkonu vykazuje nejistotu mení 3,5 %. Z namených a vyhodnocených hodnot byla stanovena charakteristická rovnice podlahového otopného tlesa ve tvaru: 1,421 Q = 0,9459 t, kde je Q tepelný výkon otopného tlesa [W], t teplotní rozdíl mezi stední teplotou vody a teplotou vzduchu [W], 0,9459 konstanta meného vzorku K M, 1,421 teplotní exponent meného otopného tlesa n. Výsledky zkoušky obsahovaly šest sad mení promnných veliin. Tak jsme mohli vyjádit každou rovnici jako souet N identických rovnic, z nichž do každé byla zahrnuta jedna sada mení. Využili jsme metodu nejmenších tverc a teplotní exponent n byl stanoven ze získaných tepelných výkon pi šesti teplotních stacionárních stavech z následujícího vztahu: n N [ ( log t logq )] ( log t) ( logq ) 2 N [ ( log t) ] ( log t) = 2. 9

10 Teplotní exponent otopného tlesa s reflexní fólií je n = 1,421. Pes mení výsledné teploty cejchovaným kulovým teplomrem o prmru 150 mm jsme výpotem vyhodnotili stední radianí teplotu, na základ které byl stanoven podíl tepelného výkonu sdíleného do vytápného prostoru sáláním. Toto mení je zatíženo nejistotou mení cca 4,5 %. Tepelný výkon sdílený do vytápného prostoru sáláním a konvekcí je dán vztahem Q = Q S + Q K, kde Q k je podíl tepelného výkonu sdílený do vytápného prostoru konvekcí a Q S je podíl tepelného výkonu sdílený do vytápného prostoru sáláním. Ten je pro námi zkoumané tleso menší jak 1 %. Jmenovitý tepelný výkon pi teplotních parametrech 75/65/20 C je 246 W y = 0,9459x 1,4213 Q (W) delta t (K) Obr. 5 Vyhodnocení mení pro stanovení rovnice otopného tlesa s reflexní fólií Mení bez reflexní fólie na dn skín otopného tlesa Opt bylo provedeno šest mení pro rzné teplotní parametry vetn jmenovitých 75/65/20 C. Toto mení je rovnž zatíženo nejistotou mení 3,5 %. Z namených a vyhodnocených hodnot byla stanovena charakteristická rovnice otopného tlesa ve tvaru: 1,411 Q = 0,9437 t, kde je Q t tepelný výkon otopného tlesa [W], teplotní rozdíl mezi stední teplotou vody a teplotou vzduchu [W]. Teplotní exponent otopného tlesa bez reflexní fólie byl stanoven na n = 1,

11 Pes mení výsledné teploty cejchovaným kulovým teplomrem o prmru 150 mm jsme opt výpotem vyhodnotili stední radianí teplotu, na základ které byl stanoven podíl tepelného výkonu sdíleného do vytápného prostoru sáláním. Toto mení je rovnž zatíženo nejistotou mení cca 4,5 %. Podíl tepelného výkonu sdílený sáláním je pro námi zkoumané tleso opt menší jak 1 %. Jmenovitý tepelný výkon pi teplotních parametrech 75/65/20 C je 236 W y = 0,9437x 1,4112 Q (W) delta t (K) Obr. 6 Vyhodnocení mení pro stanovení rovnice otopného tlesa bez reflexní fólie S ohledem na skutenost, že se v obou pípadech stanovení tepelného výkonu jedná o tepelný modul Q M [W/m] mže být výkon otopných tles o jiné délce stanoven ze vztahu Q = Q L, [W] M kde L je délka žebrované ásti otopného tlesa. V obou pípadech se nepodailo prokázat pedpoklad výrobce o výrazném navýšení sálavé složky unikátním návrhem rozšíené pestupní plochy (lamel). Tento prozatímní závr mže být výrazn ovlivnn metodikou mení podlahového otopného tlesa podle SN EN 442 a nikoli podle SN EN Rozhodující z hlediska zastoupení sálavé složky výkonu tak budou závry z matematické simulace. Zde bude rozhodující, zda ze pi stejné výsledné teplot zmní stední radianí teplota ve vytápném prostoru oproti ist teplovzdušnému vytápní. 11

12 5. Bezkontaktní mení teplot Stanovení rovnomrnosti rozložení teplot pro matematickou simulaci S ohledem na zpesnní okrajových podmínek matematické simulace bylo potebné rozhodnout o zadávání povrchové teploty otopného tlesa, resp. povrchové teploty jednotlivých lamel. Tj. vyhodnotit, zda je možné po celé délce a hloubce otopného tlesa zadávat stejnou teplotu, nebo zda se s délkou výrazn mní. K tomuto úelu byla využita termovizní technika (termokamera Flir T460), kdy byly snímány povrchové teploty tlesa pi nábhu na jmenovité teplotní parametry a za ustáleného stavu se jmenovitými teplotami vstupní a vratné vody. Po vyhodnocení v programu ThermaCAM Researcher bylo zjištno, že se po délce otopného tlesa stední teplota lamel mní pouze v rozsahu desetin C s maximálním rozdílem 1 C. Tato ást experimentu prokázala, že je možné do matematické simulace zadávat jednotnou povrchovou teplotu otopného tlesa po celé jeho délce v rámci jeho kvazistacionárního stavu. Obr. 7 Termogram snímání nábhu podlahového otopného tlesa v normále pi jmenovité teplot pívodní vody 75 C, teplot vzduchu 20 C a jmenovitém hmotnostním prtoku v ase 6 min od poátku nábhu Obr. 8 Termogram snímání nábhu podlahového otopného tlesa v normále pi jmenovité teplot pívodní vody 75 C, teplot vzduchu 20 C a jmenovitém hmotnostním prtoku v ase 15 min od poátku nábhu 12

13 Obr. 9 Termogram snímání podlahového otopného tlesa v normále za jmenovitých podmínek 75/65/20 C a ustáleného stavu Zdánlivá nerovnomrnost teplotního pole u podlahového otopného tlesa pi stacionárním, resp. kvazistacionárním stavu na obr. 9 je zpsobena zkreslením objektivu díky vzdálenosti snímání otopného tlesa. 13

14 6. Matematická simulace Po pomrn nároné tvorb geometrického modelu, kdy jsme chtli postihnout unikátní provedení rozšíené pestupní plochy (lamel), bylo provedeno první zasíování modelu a konzultováno se specialisty na matematické simulace. Model pedstavuje místnost o rozmrech 4 x 4 x 2,6 m s oknem o rozmrech 2 x 2,4 m a sledované otopné tleso je umístno v podlaze ve vzdálenosti 70 mm od prosklené stny (vše stanoveno po dohod s jednatelem spolenosti ELVL s.r.o). Pvodní úvaha byla, ešit model jako symetrický podle roviny, která prochází stedem okna a podlahového otopného tlesa. Od této úvahy jsme vzhledem k maximálnímu zpesnní modelu ustoupili, a pesto, že bude model znan asov nároný v rámci vlastní výpoetní práce a píslušného hardware, uvažujeme model nezjednodušen jako celek. Obr. 10 Nárt ešené místnosti s podlahovým otopným tlesem Podlahové otopné tleso je o rozmru 2000 x 245 mm, tedy o šíce stejné jako u meného experimentu. Dále je v modelu místnosti uvažováno umístní kulového teplomru pdorysn do stedu místnosti ve výšce 1,5 m nad podlahou. Místnost je modelována v celém rozsahu a není zde žádné zjednodušení modelu pomocí rovin symetrie, aby bylo možné modelovat proudní ve všech smrech v blízkosti okna. Jsou tím ovšem kladeny mnohem vtší nároky na výpoetní techniku a na as výpotu matematické simulace. Geometrický model je vytvoen v prostedí ANSYS DesignModeler. Podlahové otopné tleso je modelováno velice detailn. Je vytvoen model skín (vany) a v ní jsou umístny jednotlivé lamely pesn tak, jak je tomu dáno u reálného tlesa. U tlesa délky 2000 mm se jedná o poet 105 lamel. Kulový teplomr tvoí dutý povrch o prmru 100 mm. Dále je vymodelován celý objem místnosti s rozdlenou jednou stnou na ochlazovanou stnu obvodové konstrukce a ochlazované okno. K ploše ochlazovaného okna je piazena i ást objemu místnosti pro jemnjší zasíování. 14

15 Obr. 11 Detail geometrického modelu lamel Obr. 12 Zasíování modelu ez podélnou rovinou stedu podlahového otopné tleso Geometrický model o uvedených rozmrech je dále nutné zasíovat, neboli rozdlit na velké množství malých konených objem, aby mohl být proveden výpoet. Toto rozdlení musí být provedeno s ohledem na kvalitu a pesnost výpotu tak, aby geometrie bunk dodržovala urité pomry velikostí stran. Geometrický model byl exportován do prostedí ANSYS Meshing. Oblasti podlahového otopného tlesa a ochlazované plochy okna jsou zasíovány jemnji vtším potem bunk, protože zde bude docházet ke stetu proud - teplého konvektivního proudu od otopného tlesa a chladného konvektivního proudu od studeného povrchu okna. Dále je uveden pohled na zasíování v rovin podélné osy podlahového otopného tlesa. Maximální velikost bunk v modelu je 50 mm. Pi jemnjším zasíování již zmínných oblastí je velikost bunk v ádu jednotek milimetr. Celkový poet bunk dosáhnul hodnoty tém

16 6.1 Nastavení simulace Zasíovaný model byl exportován do prostedí ANSYS Fluent. Nejdíve jsou definovány materiály, které budou uvažovány v modelu a to vlastnosti vzduchu, hliníku (lamely podlahového otopného tlesa jsou hliníkové) a také veškeré zdivo. Souinitelé prostupu tepla stavebních konstrukcí odpovídaly SN Tepeln technické parametry okna byly zadány dle požadavku odbratele projektu. Hodnotícím parametrem je stední radianí teplota. Posuzováno bylo rovnž teplotní a proudové pole ve vytápném prostoru. Na základ doporuených tepeln technických vlastností a rozdílu teplot je uren mrný tepelný tok oknem a ochlazovanou stnou v hodnotách 38,4 W/m 2 a 8 W/m 2. Tyto hodnoty jsou nastaveny jako okrajové podmínky pro zmínné povrchy. Z výsledk experimentu uvažujeme jednotnou povrchovou teplotu na všech lamelách. Povrchová teplota (tepelný výkon tlesa) musí zajistit pokrytí tepelných ztrát v prostoru pes ochlazovanou stnu a okno, ostatní povrchy jsou uvažovány jako adiabatické s nulovým tepelným tokem. Povrchová teplota otopné plochy byla pomocí matematické simulace urena na stední hodnotu 50 C. Dále byl nastaven model turbulence k- s modelováním proudní u stny pomocí funkce Enhanced Wall Treatment. Model sálání je nastaven S2S a do výpotu sálání jsou zahrnuty všechny povrchy v prostoru. Pro porovnání vlivu sálavé složky tepelného výkonu podlahového otopného tlesa je vytvoena také simulace s teplovzdušným vytápním se stejným nastavením, jako bylo uvedeno pro model s podlahovým otopným tlesem. Pouze místo podlahového otopného tlesa je ze stejného pdorysného prezu pivádn teplý vzduch o výstupní rychlosti 0,5 m/s o takové teplot, aby výsledná teplota kulového teplomru byla stejná jako u simulace s podlahovým otopným tlesem Nutnou podmínkou posouzení je dosažení stejné výsledné teploty v defininím míst (sted vytápné místnosti ve výšce 1,5 m), piemž rozhodujícím výsledkem bude porovnání stedních radianích teplot u prvního a druhého matematického modelu. 6.2 Výsledky první matematické simulace model s podlahovým otopným tlesem Matematická simulace byla provedena pro poet iterací, aby veškeré proudní a teploty byly ustálené. V prvé ad byla zjištna výsledná teplota kulového teplomru v hodnot 21,7 C. Této hodnoty s maximální odchylkou 0,1 K (lépe 0,05 K) je poteba dosáhnout i u druhé simulace, aby bylo možné porovnat stední radianí teplotu prostoru, a tím urit vliv sálavé složky tepelného výkonu podlahového otopného tlesa. Byla vyhodnocena stední radianí teplota všech povrch (tj. i otopného tlesa) na hodnotu 21 C. Tato hodnota bude pozdji porovnána se stední radianí teplotou u druhého modelu. Pro porovnání je také dležitá hodnota prmrné povrchové teploty u ochlazovaného okna, která má v pípad matematické simulace s podlahovým otopným tlesem hodnotu 18,2 C. 16

17 Tab. 1 Výsledky vybraných teplot z první simulace Výsledná teplota kulového teplomru 21,7 C Stední radianí teplota v místnosti 21,0 C Povrchová teplota ochlazovaného okna 18,2 C Na obr. 13 je uvedeno teplotní pole na povrchu ochlazovaného okna a ochlazované stny. Ve spodní ásti okna je patrné zvýšení povrchové teploty od podlahového otopného tlesa a smrem vzhru po okn tato teplota mírn klesá. Hodnoty teplot ve všech obrázcích teplotního pole jsou v Kelvinech a hodnoty rychlostí jsou v m/s. Obr. 13 Teplotní pole na povrchu ochlazovaného okna a stny Na obr. 14 je uveden ez osou místnosti kolmo na okno a v nm zobrazené rychlostní vektorové pole. Z obrázku je patrné, že podlahové otopné tleso nejenom zvyšuje povrchovou teplotu okna, ale také eliminuje studené konvektivní proudy od okna a vytváí stoupající teplé proudní v blízkosti povrchu okna a po celé jeho délce (šíce). Velice zajímavý úkaz lze pozorovat u vertikálních ez vedených v délce tlesa kolmo na prosklenou stnu (viz píloha 1.01 a 1.02). Zde se zdá, že smr teplých konvekních proud od podlahového otopného tlesa a jejich intenzita dokáží ve spodní ásti okna dokonce odtrhnout mezní vrstvu chladných proud a zvýšit povrchovou teplotu okna spolu s velmi mírným podílem sálavé složky tepelného výkonu. V tomto ideálním modelu bez jakýchkoli pekážek, dochází díky pirozenému proudní v celém objemu místnosti k dokonalému proplachování vytápné místnosti, kdy nevznikají místa, kde by se v reálném pípad mohla tvoit vlhkost a plíse na povrchu ochlazovaných stn. 17

18 Obr. 14 Rychlostní pole ve vertikálním ezu rovinou kolmou na okno v polovin délky podlahového otopného tlesa Na obr. 15 je uvedeno rychlostní pole ve vertikálním ezu rovinou rovnobžnou s oknem ve vzdálenosti 50 mm od povrchu okna. Na tomto obrázku je potvrzeno, že podlahové otopné tleso eliminuje chladné konvektivní proudy po celé délce otopného tlesa a zde i okna. V píloze této zprávy jsou uvedena další zobrazení teplotních a rychlostních polí v rzných rovinách ezu místností. Obr. 15 Rychlostní pole ve vertikálním ezu rovinou rovnobžnou s oknem ve vzdálenosti 50 mm od povrchu okna 18

19 6.3 Výsledky druhé matematické simulace model s teplovzdušným vytápním Druhá matematická simulace byla také provedena pro více než iterací. U této simulace bylo dležité správné nastavení teploty pívodního vzduchu, aby bylo dosaženo stejné výsledné teploty na kulovém teplomru jako v první simulaci. Shodná výsledná teplota kulového teplomru vyšla pro hodnotu pívodního vzduchu 21,7 C. V tabulce 2 jsou pro porovnání uvedeny ješt hodnoty povrchové teploty okna a stední radianí teploty v místnosti. Ob tyto teploty vychází nižší, než u modelu s podlahovým otopným tlesem a potvrzují vliv mírné sálavé složky tepelného výkonu podlahového otopného tlesa. Pímou kvantifikaci podílu sálavé složky v procentech však nelze ze simulace stanovit. Co však jednoznané je, že oproti teplovzdušnému vytápní je ve vytápné místnosti podlahovým otopným tlesem pítomen nejen konvekní, ale i sálavý tepelný výkon. Tab. 2 Výsledky vybraných teplot z druhé simulace Výsledná teplota kulového teplomru 21,7 C Stední radianí teplota v místnosti 20,3 C Povrchová teplota ochlazovaného okna 16,9 C Pro porovnání povrchových teplot ochlazovaného okna je na obr. 16 uvedeno i teplotní pole na povrchu okna pro druhou matematickou simulaci. Dochází zde k menšímu ohívání povrchu okna, a to pedevším v jeho spodní ásti, což má vliv na celkov nižší povrchovou teplotu. Zdá se, nikoli však prokazateln, že na nižší povrchové teplot okna má vliv i úplná absence sálavého tepelného toku, ale hlavn vyšší teplota teplých konvekních proud pro model s otopným tlesem oproti modelu s teplovzdušným vytápním. V píloze 1.16 a 2.14 jsou uvedena teplotní pole ochlazovaného okna s upravenou stupnicí teplot pro lepší posouzení. Obr. 16 Teplotní pole povrchu ochlazovaného okna a stny pro simulaci teplovzdušného vytápní 19

20 7. Závr Z hlediska požadavku na hygienu bydlení a životní prostedí se stávají podlahové konvektory úložištm prachu a neistot i mikrobiálního pvodu. V praxi bžn dochází k zanedbávání údržby a oisty podlahových konvektor z dvodu nároného zpístupnní vnitních ástí podlahových konvektor. Akumulace prachových ástic se stává živnou pdou pro rst a množení mikroorganism. Zejména u nízkoteplotních soustav s provozní teplotou teplosmnných ploch do 50 C nedochází k termické desinfekci, ale naopak k podstatn vyšší mikrobiologické zátži. Pi posuzování funkních a provozních vlastností podlahových konvektor lze spatovat znaný inovaní prostor zamený na odstranní uvedených nedostatk, zejména pak v oblasti hygieny prostedí, efektivity provozu a tepelného psobení na lovka. K dosažení cíle se nabízí nap. nové ešení, se zcela novým pístupem ešení podlahového otopného tlesa, spolenosti ELVL. U inovovaných podlahových otopných tles byl ze strany výrobce stanoven pedpoklad, že se vyznaují vyšší mírou tepelného sálavého výkonu a pi umístní tlesa do podlahy ped okno se projeví nejen konvekní, ale i sálavý efekt. Tento pedpoklad byl ovován jak experimentální cestou, tak matematickou simulací. 7.1 Experiment Vzhledem k tomu, že Ústav techniky prostedí nedisponuje kalorimetrickou komorou podle EN 442, bylo mení experimentální ást - provedeno na tzv. oteveném micím míst. Ostatní podmínky byly dle SN EN 442. Splnní podmínek urených SN EN pro mení podlahových konvektor s ochlazovanou instalaní stnou s teplotou 16 C však naše laborato neumožuje. Mení bylo realizováno pro dv instalaní provedení. První pípad bylo provedení s instalovanou reflexní fólií pod výmníkem tepla (žebrovkou) na dn skín otopného tlesa. Druhé mení bylo provedeno bez instalace reflexní fólie na dn skín podlahového otopného tlesa pod výmníkem tepla. V obou pípadech se nepodailo prokázat pedpoklad výrobce o výrazném navýšení sálavé složky unikátním návrhem rozšíené pestupní plochy (lamel). Podíl tepelného výkonu sdílený do vytápného prostoru sáláním pro zkoumané tleso byl v obou pípadech menší jak 1 %. Tento závr je ovlivnn metodikou mení podlahového otopného tlesa podle SN EN 442 a nikoli podle SN EN Rozhodující z hlediska prokázání zastoupení sálavé složky výkonu je tak matematická simulace. S ohledem na zpesnní okrajových podmínek matematické simulace bylo potebné rozhodnout o zadávání povrchové teploty otopného tlesa, resp. povrchové teploty jednotlivých lamel. K tomuto úelu byly snímány povrchové teploty otopného tlesa pi nábhu na jmenovité teplotní parametry a za ustáleného stavu se jmenovitými teplotami vstupní a vratné vody. Tato ást experimentu prokázala, že je možné do matematické simulace zadávat jednotnou povrchovou teplotu otopného tlesa po celé jeho délce. 20

21 7.2 Matematická simulace Pvodní úvaha byla, ešit model jako symetrický podle roviny, která prochází stedem okna a podlahového otopného tlesa. Od této úvahy jsme vzhledem k maximálnímu zpesnní modelu ustoupili a uvažovali model nezjednodušen jako celek. Pro porovnání vlivu sálavé složky tepelného výkonu podlahového otopného tlesa bylo nutno vytvoit dv simulace. První pro vytápný prostor s precizn definovaným podlahovým otopným tlesem a druhou pro vytápný prostor s teplovzdušným vytápním se stejnou oblastí pívodu teplého vzduchu. Nutnou podmínkou posouzení je dosažení stejné výsledné teploty v defininím míst (sted vytápné místnosti ve výšce 1,5 m), piemž rozhodujícím výsledkem je porovnání stedních radianích teplot u prvního a druhého matematického modelu. Pokud jsou stední radianí teploty pro oba modely stejné, podlahové otopné tleso sdílí tepelný výkon do vytápného prostoru pouze konvekcí. Matematická simulace prokazuje, že smr teplých konvekních proud od podlahového otopného tlesa a jejich intenzita dokáží ve spodní ásti okna dokonce odtrhnout mezní vrstvu chladných proud u okna a zvýšit povrchovou teplotu okna, a to spolu s velmi mírným podílem sálavé složky tepelného výkonu. V tabulce 3 jsou porovnány hodnoty povrchové teploty okna a stední radianí teploty v místnosti pro ob simulace. Ob tyto teploty vychází nižší u modelu teplovzdušného vytápní, než u modelu s podlahovým otopným tlesem a potvrzují vliv mírné sálavé složky tepelného výkonu podlahového otopného tlesa. Pímou kvantifikaci podílu sálavé složky v procentech však nelze ze simulace stanovit. Co však jednoznané je, že oproti teplovzdušnému vytápní je ve vytápné místnosti podlahovým otopným tlesem pítomen nejen konvekní, ale i sálavý tepelný výkon. Tab. 3 Teploty získané matematickou simulací Parametr Teplovzdušné Podlahové OT vytápní Výsledná teplota kulového teplomru 21,7 C 21,7 C Stední radianí teplota v místnosti 20,3 C 21,0 C Povrchová teplota ochlazovaného okna 16,9 C 18,2 C U inovovaných podlahových otopných tles spolenosti ELVL se potvrdil pedpoklad výrobce, že se podlahová otopná tlesa s unikátní konstrukcí vyznaují vyšší mírou podílu tepelného výkonu sdíleného sáláním, než je tomu u klasických podlahových konvektor. Sálavý efekt, resp. procentuální podíl tepelného výkony sdílený do vytápného prostoru sáláním, však nelze bez mení podle SN EN kvantifikovat. Za jednoznan prokázané máme schopnost tlesa zvýšit stední radianí teplotu (povrchovou teplotu okolních ploch) oproti ist konveknímu vytápní. Zvýšení povrchové teploty okna však pisuzujeme pedevším vhodnému obrazu proudní teplého vzduchu od otopného tlesa a schopnosti teplých proud eliminovat ve spodní ásti okna mezní vrstvu chladného proudu vzduchu. Tento závr vychází z menší možnosti zvýšení povrchové teploty skla sáláním vzhledem k jeho vlastnostem (pohltivost, odrazivost a propustnost na zahátí skla se podílí pouze pohltivost). 21

22 8. Seznam píloh (viz piložené CD) Simulace vytápného prostoru s instalovaným podlahovým otopným tlesem 1.01 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 1.02 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené tvrtinou délky podlahového otopného tlesa 1.03 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené na samém okraji konce podlahového otopného tlesa 1.04 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem vedené stedem podlahového otopného tlesa 1.05 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 100 mm od okna 1.06 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 50 mm od okna 1.07 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem pímo na povrchu okna 1.08 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 1.09 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené tvrtinou délky podlahového otopného tlesa 1.10 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené na samém okraji konce podlahového otopného tlesa 1.11 Detail rychlostního pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 1.12 Detail rychlostního pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 1.13 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem vedené stedem podlahového otopného tlesa 1.14 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 100 mm od okna 1.15 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 50 mm od okna 1.16 Teplotní pole na povrchu okna se zmnnou stupnicí teplot 22

23 Simulace vytápného prostoru s teplovzdušným vytápním 2.01 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 2.02 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené tvrtinou délky podlahového otopného tlesa 2.03 Teplotní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené na samém okraji konce podlahového otopného tlesa 2.04 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem vedené stedem podlahového otopného tlesa 2.05 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 100 mm od okna 2.06 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 50 mm od okna 2.07 Teplotní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem pímo na povrchu okna 2.08 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené polovinou délky podlahového otopného tlesa 2.09 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené tvrtinou délky podlahového otopného tlesa 2.10 Rychlostní pole ve vertikální rovin kolmé na okno vedené na samém okraji konce podlahového otopného tlesa 2.11 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem vedené stedem podlahového otopného tlesa 2.12 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 100 mm od okna 2.13 Rychlostní pole ve vertikální rovin rovnobžné s oknem ve vzdálenosti 50 mm od okna 2.14 Teplotní pole na povrchu okna se zmnnou stupnicí teplot 23

24

25 1.03 Teplotní pole ve vertikální rovinì kolmé na okno vedené na samém okraji konce podlahového otopného tìlesa 1.04

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38