Podlahové vytápění. Tepelná pohoda

Transkript

1 Podlahové vytápění Tepelná pohoda Obecné povědomí, a často (bohužel) nejenom laické veřejnosti, je takové, že tepelná pohoda ve vytápěném prostoru je dána pouze teplotou vzduchu. To je ovšem velký omyl, protože ve skutečnosti se na pohodě podílí několik dalších faktorů, z nichž nejdůležitější jsou: přítomnost těles o teplotě vyšší než je teplota vzduchu, pohyb vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, oblečení a fyzická aktivita osob ve vytápěném prostoru. Obrázek 1: Základní faktory tepelné pohody Pokud proudění vzduchu bude mít nižší rychlost než 0,2 m/s a relativní vlhkost vzduchu se bude pohybovat v běžných mezích od 25 do 70 %, můžeme je z úvah o tepelné pohodě pominout a výraz tepelná pohoda ve vytápěném prostoru se zredukuje na 2 hlavní faktory a to teplota vzduchu a povrchová teplota stavebních konstrukcí a předmětů. Výsledná teplota Pro společné působení teploty vzduchu a povrchové teploty se používá výraz výsledná teplota t k, což je jeden z nejdůležitějších a rozhodujících parametrů pro výpočet (zatím jen) sálavého vytápění. V blízké budoucnosti se zcela určitě budou topenářské normy v tomto smyslu revidovat. Pro výslednou teplotu platí vztah: t v + t p t k = nebo po úpravě t k = 0,5 t v + 0,5t p 2 Ten udává, že na výsledné teplotě, vnímané osobami ve vytápěném prostoru, má polovinou vliv teplota vzduchu t V a druhou polovinou průměrná povrchová teplota t P stavebních konstrukcí, které ohraničují vytápěný prostor a pevných těles zde se nacházejících.

2 Obrázek 2: Diagram tepelné pohody jako působení střední povrchové teploty v kombinaci s teplotou vzduchu O tom, že jenom teplota vzduchu je nedostačující fyzikální veličinou pro určení teplotní pohody svědčí dva, i když kvůli názornosti jen hypotetické, příklady. Jako první lze uvést případ, kdy po příjezdu na chalupu zpočátku, i přes intenzivní topení, osoby stále pociťují chlad, jenž "čiší z každého koutu" do té doby, než se dostatečně prohřejí stavební konstrukce. Opačným případem, známým především z dob bývalého "dostatku" levné energie, bylo větrání pootevřenými okny v bytech panelové výstavby pro dosažení teplotní pohody při přetápění bytů. Společným důvodem uvedených pocitů je povrchová teplota stavebních konstrukcí, ohraničujících vytápěný prostor, v prvním případě je totiž nižší a v druhém vyšší než teplota vzduchu. Obrázek 3: Příklady vysvětlujicí spolupůsobení teploty vzduchu a teploty povrchových konstrukcí na výslednou - pociťovanou teplotu Vidíme, že v případě eskymáckého iglů (což je obdobný případ jako dříve zmíněná chalupa) i když teplota vzduchu je 20 o C, vlivem nízké teploty stěn je výsledná teplota pouze 10 o C. Naopak v druhém případě, i přes nízkou teplotu vzduchu 10 o C, v důsledku větrání otevřeným oknem, je, díky vyšší teplotě stěn 30 o C, výsledná teplota 20 o C dostatečná. Tento případ samozřejmě platí jen při krátkém větrání, kdy stěny nestačí vychladnout. Současně zdůvodňuje, proč se má větrat krátce a intenzivně. Vysvětlení fenoménu, proč je nám v prostoru s teplejšími předměty příjemně, spočívá v přenosu a přeměně energie na teplo sáláním. Jakákoliv tělesa o vyšší teplotě totiž vyzářují (sálají) energii, která se teprve po dopadu na chladnější tělesa v prostoru (osoby, předměty) mění na teplo.

3 Názorným příkladem je zkušenost ze zimního opalování na horách, kde i za teplot vzduchu okolo 0 o C je lidem pod zářícím sluncem teplo. Obrázek 4: Tepelná pohoda v zimě na horách díky slunečnímu záření Naprosto stejný princip se využívá u sálavého sytému vytápění, ať již stropního, stěnového či podlahového. Existují proto dnes vedle seba dva systémy vytápění. Teplovzdušný (kam ale principiálně patří i klasické ústřední topení) a sálavý. Podle toho, která ze složek určujících výslednou teplotu převažuje, mluvíme potom buď o teplovzdušném nebo sálavém vytápění. U teplovzdušného vytápění se uvnitř vytápěného prostoru ohřívá vzduch různými způsoby, jako například teplovzdušnými agregáty, teplovodními radiátory, konvektory a podobně. Tento vzduch se vždy ohřívá na podstatně vyšší teplotu než je teplota stavebních konstrukcí (stěn). Proto je u teplovzdušného vytápění rozhodující veličinou teplota vzduchu. U sálavého vytápění je primární veličinou naopak sálání, jehož intenzita odpovídá střední povrchové teplotě sálavých těles (podlahové vytápění, panelová otopná tělesa, zářiče) a vnitřní teplota vzduchu (jako druhotná "odvozená" veličina) je vždy z principu nižší než požadovaná výsledná teplota. V anglosaském regionu se pro zjednodušení definuje výsledná teplota jako součet teploty vzduchu a teploty sálání a platí rovnice: t k = t V + t sál, přičemž teplota sálání t sál závisí na intenzitě sálání otopného tělesa. Naskýtá se otázka proč používat sálavé vytápění. Důvody jsou dva: energeticko-ekonomická výhodnost nízkých provozních nákladů a příznivé hygienicko-fyziologické působení na osoby. Energetické aspekty sálavého systému Tepelné ztráty vytápěného objektu a tím i spotřeba otopné energie přímo úměrně stoupají s teplotou vzduchu uvnitř. A to platí jak pro ztráty prostupem tepla stěnami tak i pro ztráty větráním. Je tedy zcela evidentní, že provozování sálavého vytápění, díky jeho principiálnímu snížení vnitřní teploty, musí přinést úsporu provozních energetických nákladů protože je prokázané, že snížení otopné teploty ve vytápěném prostoru o 1 o C znamená redukci nákladů o asi 7%. Proto je vhodné zvolit pro vytápění rodinných domů a bytů podlahové vytápění, které splňuje všechny požadavky na úsporné a komfortní vytápění s vynikající teplotní pohodou. Podlaha se v tomto případě použije jako velkoplošné nízkoteplotní sálavé otopné těleso.

4 Fyziologické působení podlahového vytápění Naopak, u sálavého podlahového vytápění se teplota podlahy pohybuje okolo 20 o C, ve výši hlavy dosahuje nižší hodnoty cca 18 o C, což je z fiziologického hlediska příjemnější a hygienického hlediska zdravější. Kdo jednou okusil jak příjemné je mít nohy "v teple" na podlaze, ať již v koupelně, kuchyni nebo v obývacím pokoji, již nikdy by neměnil podlahové vytápění za systém s radiátory, konvektory a podobně. Obrázek 5: Naměřený průběh teplot vzduchu v sálavě a klasicky vytápěné místnosti Z obrázku je zřejmé, že teplota vzduchu a podlahy je u klasického vytápění nepříjemně nízká a aby byl tento jev eliminován, je nutné vytápět u tohoto systému buď s vyšší, tedy nehospodárnou teplotu anebo strpět teplotní diskomfort, kdy se nohy nacházejí ve studenu, hlava v teplejším prostředí. Při obvykle požadované vnitřní teplotě 18 o C, naměříme teplotu na podlaze okolo 15 o C, kdežto ve výši hlavy ve 2 m činí 21 o C a dále stoupá, až pod stropem (cca 3 m) 23 o C. Regulace prostorové teploty Jakýkoliv otopný systém ale nebude pracovat k plné spokojenosti a úsporně, pokud nebude doplněn odpovídající regulací a ovládáním. Tyto předpoklady platí ve více než plné míře i pro sálavý systém. Zde, kvůli specifiku a principu působení vzniku a přenosu tepla v sálavě vytápěném prostoru, je nutné použít snímač, který dokáže reagovat především na sálavou složku, neboť ta je v tomto případě primární regulovanou veličinou. V žádném případě proto nemůže pro regulování vnitřní teploty u podlahového vytápění vyhovět běžný, tzv. prostorový termostat od elektrických akumulačních kamen a podobných výrobků. Tyto termostaty totiž reagují pouze na teplotu vzduchu a jak jsme již vysvětlili, v sálavě vytápěném prostoru je z pricipu snížená teplota vzduchu oproti výsledné o několik stupňů a při použití teplovzdušného termostatu proto nutně dochází teplotnímu diskomfortu v důsledku střídání nedotápění a přetápění místnosti s kolísáním teploty až o několik stupňů. Stejně tak nemohou vyhovět snímače teploty instalované přímo v podlaze i když takové někteří výrobci nabízejí. Ty potom reagují stejně špatně, jako kdybychom u klasického vytápění s radiátory, umístili snímače teploty přímo na otopné těleso. Je evidentní, že takový způsob regulace prostorové teploty nemůže nikdy správně fungovat. Druhy podlahového vytápění Praktické provedení podlahového sálavého vytápění lze rozdělit z provozního hlediska na dva druhy. Akumulační a přímo působící. Jako akumulační je zpravidla výrobci a montážní firmy nabízejí jako odporové vodiče, protékané elektrickým proudem (většinou za snížený tarif), které během noci ohřejí betonovou podkladní vrstvu podlahy.

5 Velkou výhodou akumulačního provedení je relativně snadná montáž v novostavbách a relativně nízké investiční náklady (srovnatelné s výdaji za pořízení elektrických akumuačních kamen do každé místnosti). Vzhledem k principu akumulace tepla do podlahy je tento způsob je ale vhodný především do objektů občanské výstavby, kde se běžný provoz odehrává v dopoledních hodinách a končí odpoledne (jesle, školy, úřady). Podlaha totiž vydává teplo samovolně, navíc nejvíce v okamžiku po ukončení "nabíjení" a poté již jen s klesající tendencí, přičemž pro běžný rodinný provoz, kdy rodina dílem odejde do školy a dílem zaměstnání, je tomu zapotřebí většinou právě naopak, tedy mít teplo až když se obyvatelé vrátí a v domě pobývají. Další nevýhodou je skutečnost, že tento systém prakticky nelze regulovat, kromě vypnutí či zapnutí, a není nic nepříjemnějšího, než když se podlaha "nabije" teplem a přestože se venku oteplilo a navíc slunce svítí dovnitř okny a samo ohřívá stavební konstrukce i vzduch, podlaha sálá a sálá... O tom, že je to navíc velmi neekonomické se netřeba dále šířit. Protože výše uvedené nectnosti podlahového akumulačního vytápění jsou již delší dobu známé, přišli někteří výrobci s řešením pomocí elektrotepelných rohoží, které se pokládají pod koberce, případně, některé i pod dlažbu. ovšem vždy tepelně izolovaně proti podkladním vrstvám podlahy. U těchto provedení již lze s určitým omezením regulovat vnitřní teplotu v jednotlivých místnostech, pokud výrobce dodává odpovídající snímač výsledné teploty s regulátorem. Velkou nevýhodu je provoz na elektřinu za denní tarif, což je velmi nákladné o čemž se přesvědčilo mnoho rodin, které podlehly státní reklamní kampani na počátku 90. let na zavádění elektrických přímotopů. Závěr Jako nejvhodnější a nejvýhodnější se jeví teplovodní podlahové vytápění ve spojení s plynovým kotlem nebo, ještě lepší, s akumulací tepla do tepelně izolované nádrže(í) s elektrickým ohřevem vody. V obou případech směšovací ventil pouští do vícevrstvých hadic zalitých v povrchové, tepelně izolované, podlahové vrstvě betonu vodu o proměnlivé teplotě, podle pokynů regulátoru prostorové teploty na který jsou napojeny zpravidla tři snímače. Venkovní teploty vzduchu, vnitřní výsledné teploty a teploty vody vstupující do hadic z rozdělovače u kotle nebo nádrže. Tak lze mít zcela komfortně a bezobslužně tepelnou pohodu v sálavě vytápěném objektu bez ohledu na venkovní teplotu, s prostorovými teplotami separátně nastavitelnými pro každou místnost, za nízkých provozních nákladů a v neposlední řadě i s možností doplnění systému (i pozdějšího) o tepelné čerpadlo se všemi z toho vyplývajícími výhodami, především při použití elektřiny jako hlavního zdroje energie pro vytápění. Literatura [1] Kämpf, A. : Energetische und physiologische Untersuchungen bei der Verwendung von Gasinfrarotstrahler im Vergleich zu konkurrierenden Heizsystemen für die Beheizung großer Räume. Dissertation RUB Bochum (1994) [2] Glück,Berd. : Strahlungsheizung Theorie und Praxis. (1982) [3] Janásek, P. : Hygienicko-fyziologické aspekty sálavého vytápění. Seminář krajských hygieniků Ústí n.l. (1995)

6 [4] Windisch,Klaus. : Wärmephysiologie (1982) [4] Kämpf, A, Janásek, P. : Hospodárné použití infrazářičů v průmyslových objektech. Sborník EEBW Praha (1996) [4] Skunca, I., van Beveren, W. : Über die Ermittlung der Temperaturverteilung bei zwei verschiedenen Heizsystemen in einer Lagerhalle der Firma SEMAG AG. Abschlußbericht Nr des Gaswärme-Institutes Essen. [5] Janásek, P. : Projektování a instalace sálavého vytápění. Konference GAS (2000). Janásek, P., březen 2004