Teplovzdušné vytápění - teorie

Teplovzdušné vytápění hal a teplotní zvrstvení v hale

Teplotní zvrstvení je zásadní pojem, kterým charakterizujeme a hodnotíme kvalitu vytápění haly. Není to nic jiného než průběh teploty vzduchu s výškou. Zcela obecně rozlišujeme tři možnosti jak se může teplota vzduchu s výškou měnit. Normální teplotní zvrstvení znamená, že je dole teplota vyšší něž nahoře. Normální to samozřejmě není ale ve dne se v atmosféře vyskytuje nejčastěji a proto ten název. Je to dáno tím, že veškerou energii pro ohřívání vzduchu na Zemi čerpáme ze Slunce a to nejprve ohřeje zem a od té se teprve ohřívá vzduch. Hodně meteorologických jevů je spojených s tím, že se od země ohřátý teplý vzduch dere do vyšších vrstev atmosféry.

Extrémní případy „normálního“ teplotního zvrstvení, kdy je teplý vzduch dole a studený nahoře můžeme pozorovat například nad rozpálenou silnicí. Vzduch těsně nad povrchem je ohřátý například na 80°C přičemž teplota vzduchu v jednom metru je jenom 30°C. Velký rozdíl teplot, tedy ostrá změna indexu lomu vzduchu způsobuje vznik „zrcadla“ v němž můžeme pozorovat odlesky oblohy a předmětů. Říkáme mu fata morgána. Tak velký rozdíl teploty na tak malé vzdálenosti může však být jen v těsné blízkosti rozpáleného povrchu. V okamžiku, kdy slunce přestane sálat, přelud mizí. Předměty začnou chladnout a teplý vzduch zůstává nahoře, zatímco dole vzniká vrstva vzduchu studeného. Normální teplotní zvrstvení, kdy je teplo dole a zima nahoře je stav nestabilní, vyvolává cirkulaci a je závislé na přísunu energie. Nestabilní zvrstvení v celé hale je pro nás nesplnitelným snem. Je to taková fata morgána na křídovém papíře.

Pokud mám uvézt příklad stabilního zvrstvení inspirovaný přírodou, pak je to večerní ohníček ke kterému přidáme trochu trávy. Kouř zpočátku stoupá díky tomu, že je teplejší než jeho okolí. Slunce ale již zem neohřívá a tak je vzduch u země studenější než ten nahoře. Kouř stoupá, míchá se s okolním vzduchem a chladne. Dříve či později se dostane do vrstvy vzduchu stejně teplého jako je on sám a tak se po několika metrech (nebo desátkách metrů) zastaví a začne se rozlévat do vodorovné vrstvy. Toto zvrstvení se nazývá „inverze“ a z hlediska pohybů vzduchu je stabilní. Pro úplnost uvedu pojem izotermie, to se teplota vzduchu s výškou nemění.

Posledním termínem jenž budu používat a nemusí být hned pochopitelný je křivka teplotního zvrstvení. Je to vlastně grafické vyjádření změny teploty s výškou. Na svislou osu vynášíme výšku a na vodorovnou osu teplotu vzduchu. Propojením jednotlivých bodů vzniká křivka. Pro názorné vysvětlení stabilního a nestabilního zvrstvení a pro další výklad nám poslouží několik obrázků.

Na obrázku je znázorněn izolovaný poklop (zeleně), jenž jsem umístil nad zdroj teplého vzduchu.

Vzduch ze zdroje stoupá vzhůru, směšuje se s okolním vzduchem a tím klesá jeho teplota. Pod horní plochou poklopu se rozlévá do vrstvy a vytlačuje původní obsah.

Rozhraní teplého a původního vzduchu je výrazné a když dosáhne spodního okraje poklopu, začíná nám teplý vzduch unikat do volné atmosféry, teplota pod poklopem pak stoupá až na teplotu zdroje.

Teplotní zvrstvení nad zdrojem tepla (oranžová) je nestabilní.

Dole je teplejší vzduch než nahoře a nad zdrojem tepla dochází k samovolnému pohybu vzduchu směrem vzhůru. Nestabilita spočívá právě v tom, že takovéto zvrstvení vyvolává vertikální pohyb a pokud odstraníme zdroj tepla, okamžitě mizí.

Zvrstvení v celém objemu mimo zdroj tepla (červená) je stabilní. Vzduch nahoře je teplejší než dole a pokud odstraníme zdroj tepla, zůstává zachováno. Pomalý sestupný proud v celém objemu nepromíchává vzduchu.

Teplota pod horní plochou poklopu se samozřejmě v průběhu tohoto procesu mění, roste díky tomu, že se teplý vzduch ze zdroje mísí s neustále teplejším vzduchem jenž je pod poklopem. Tato teplota je tedy závislá jednak na teplotě zdroje a pak na míře směšování vzdušin a na teplotě okolního vzduchu, tedy na teplotě v celém objemu. Praktický poznatek je následující. Teplota pod střechou haly je mimo jiné závislá na průměrné teplotě v hale, na míře cirkulace v hale ale u teplovzdušného vytápění hlavně na teplotě vzduchu který používáme pro vytápění haly.

Teplota pod střechou haly je závislá na teplotě vzduchu který používáme pro vytápění haly.

Opačný případ nastane, jestliže pod zdroj studeného vzduchu umístím izolovanou vanu a tento vzduch do ní zachytávám. Chladný vzduch klesá dolů, směšuje se s okolním vzduchem a tím jeho teplota roste. Na dně vany se rozlévá do plochy a vytlačuje původní obsah.

Rozhraní vzduchu chladného a původního je dobře patrné a v okamžiku, kdy dosáhne horní hrany, studený vzduch přetéká do volného prostoru. Teplota ve vaně klesá až na teplotu zdroje chladu.

Teplotní zvrstvení pod zdrojem chladu je rovněž nestabilní. Nahoře je vzduch chladnější než dole. Také zde teplotní rozdíl způsobuje pohyb vzduchu, chladný vzduch klesá na dno vany.

Pokud odstraníme zdroj chladu, proudění okamžitě zmizí a toto teplotní zvrstvení zanikne.

Naproti tomu zvrstvení v celém objemu vany (modrá křivka) je stabilní. Vzniklo sice jako důsledek přivádění studeného vzduchu, ale po odstranění zdroje chladu zůstává nezměněné. Pomalý vzestupný proud v celém objemu nepromíchává vzduch.

Teplota na dně vany se s časem také mění, klesá a to díky tomu, že studený vzduch má pro své směšování k dispozici neustále studenější a studenější vzduch ve vaně. Teplota těsně nad dnem (nebo podlahou) je tedy závislá jednak na teplotě zdroje, na míře směšování vzdušin a na teplotě okolního vzduchu, tedy na teplotě v celém objemu. Pokud je ve vytápěné hale zdrojem tepla teplovzdušné vytápění, pak zdrojem chladu je vzduch pronikající do haly z venku a vzduch jenž se nám ochlazuje od studené konstrukce haly, oken nebo světlíků. Praktický poznatek je takový, že teplota těsně nad podlahou haly je mimo jiné závislá na průměrné teplotě v hale, na míře cirkulace v hale ale hlavně na kvalitě konstrukce a izolace haly, na vlastní a umělé infiltraci.

Teplota těsně nad zemí je v hale závislá na kvalitě haly, tedy na izolačních vlastnostech konstrukce a vlastní a umělé infiltraci.

Z důvodu dalšího výkladu Vám popíšu hypotetický pokus. Umístím poklop nad vanu a předpokládám, že si sice zdroj tepla nasává studený vzduch z dolní části objemu, ale výstupný proud ji neovlivňuje. Obdobně bude fungovat i zdroj chladu. Po delším čase v ustáleném stavu by situaci připomínal následující obrázek. Nahoře teplota zdroje tepla, dole teplota zdroje chladu.

Pokud bychom proud vzduchu ze zdrojů ničím nepoháněly a materiál obalu by byl dokonalým izolantem a navíc dokonale světlým a lesklým předmětem, rozhodně by vzduch mezi horní a spodní částí objemu nijak necirkuloval. Nedocházelo by ani k přenosu tepla sáláním.

Ochlazování stěn haly a infiltraci studeného vzduchu do haly zde zastupuje zdroj chladu a je v rovnováze se zdrojem tepla, jenž je pro nás vlastně teplovzdušné vytápění.

Popisovaný model je samozřejmě pro vytápění haly tím nejhorším případem, který by mohl nastat.

Představa, že teplota venkovního vzduchu je –10°C, topní v hale pracuje na plný výkon, průměrná teplota v hale je 20°C (nahoře + 50°C a dole – 10°C) a přitom teplota vzduchu v pracovní zóně je stejná jako teplota venku, to je představa fatální. Můžeme prohlásit, že účinnost takovéhoto vytápění je naprosto minimální, tedy 0%.