Teplovzdušné vytápění - teorie

Vliv vytápěcího systému na proudění vzduchu v hale

Proudění vzduchu v hale vzniká v důsledku ochlazování vzduchu pláštěm haly a je podporováno infiltrací studeného vzduchu do haly. Na proudění má vliv vytápěcí systém. Topení v hale může cirkulaci výrazně podporovat a nebo ji může efektivně omezovat. Druhá možnost je výhodná z hlediska účinnosti procesu vytápění haly, snižuje energetickou náročnost, tedy roční náklady na vytápění.

Na obrázku je znázorněna situace jenž maximálně podporuje cirkulaci vzduchu. Vrchní plocha (červená) je ohřívaná od zdroje tepla a zároveň je ochlazovaná vlastním sáláním. Pokud je proud teplého vzduchu koncentrovaný do jednoho místa, vzniká nám v jedné vrstvě teplotní rozdíl, ten je motorem cirkulace.

Obdobně je na tom i spodní plocha (modrá). Je ochlazovaná zdrojem chladu a ohřívaná sáláním stropu. Čím se nacházíme dál od místa dopadu chladného vzduchu, tím je teplota v rovině podlahy vyšší a tam nám bude vzduch stoupat. Cirkulace je naznačena šipkou.

Možná někoho napadne, no sláva, konečně se nám vzduch v hale pořádně rozmíchá. Bohužel, tato cirkulace situaci vždy jen zhoršuje.

Tak jako voda teče vždy jen dolů, tak i studený vzduch si v hale hledá jen nejkratší cestu k podlaze a teplý vzduch jenom stoupá vzhůru. Velké teplotní rozdíly v jednotlivých hladinách podporují cirkulaci a ta nám vytvoří velké teplotní rozdíly v různých výškách.

Teplotní rozdíly se díky cirkulaci vyrovnávají v jednotlivých hladinách, ale rozdíly teplot v různých výškách se maximalizují a to tedy rozhodně nechceme.

V reálné hale je zdrojem chladu opláštění budovy a infiltrovaný vzduch. Snížit jeho vliv znamená halu zaizolovat, drátosklo vyměnit za makrolon, plechová vrata vyhodit a koupit nová a tak podobně. Zdrojem tepla je vytápěcí systém. Přirozená cirkulace vzniká tehdy, jestliže máme v jedné hladině různé teploty vzduchu (hladinou mám na mysli jakoukoli rovinu rovnoběžnou s podlahou).

Ideálním řešením je okamžité mixování studeného a teplého vzduchu na požadovanou teplotu a tu tak udržovat stejnou ve všech hladinách – viz obrázek. V praxi to znamená co nejlépe umístit a strukturovat zdroj teplého vzduchu vůči zdrojům chladu. Mít kvalitní vytápěcí systém znamená vytvořit co nejlepší řešení pro konkrétní vytápěnou halu.

Zmínilo jsem se o tom, že jedním z nepříjemných důsledků přirozené cirkulace v hale je zvýšená energetická náročnost vytápěcího procesu a tento fakt jsem nevysvětlil. Než budu pokračovat, můžete si vyzkoušet jednoduchý pokus. Přiložte si dlaň tak třicet centimetrů před ústa a foukněte si do ní. Za normálních okolností pocítíte chlad a přitom je vzduch z plic zcela určitě teplejší, než vzduch ve vaší kanceláři. Svoji roli samozřejmě sehrává odpařování potu a záleží na teplotách ale velký vliv má to, jak silně foukáte, tedy na rychlosti obtékání dlaně foukaným vzduchem. Tento fakt je dobře znám našemu podvědomí, a tak když si spálíte prst, foukáte si na něj a ani o tom moc nepřemýšlíte.

Pokud budeme o tomto úkazu přemýšlet, jistě nás rychle napadne vysvětlení. Tím že si na prst foukáme dosáhneme toho, že odfoukneme tenkou vrstvičku vzduchu jenž nám prst izoluje. Pokud totiž je teplé nebo studené těleso v klidu vůči okolnímu vzduchu, vytváří se kolem něho tenká vrstvička vzduchu a má zhruba stejnou teplotu jako předmět. Pokud není odfukována, daný předmět izoluje od okolního vzduchu jiné teploty. Lidstvo se naučilo tuto vrstvičku chránit a zvětšovat pomocí obleků, zvířata mají srst a nebo peří. Na toto téma jsem již narazil, když jsem mluvil o mezní vrstvě studeného vzduchu nad podlahou. Nyní se budu zajímat o stěny, okna a lidi v hale. I kolem nich se vytváří tenká izolační vrstvička vzduchu, která může být narušována a to právě cirkulací vzduchu v hale.

Od stěn a oken haly se vzduch ochlazuje a klesá. Sestupný proud ofukuje stěny a zlepšuje tepelný přenos, zvyšuje tepelné ztráty budovy.

Nejstudenější vzduch v hale najdeme u stěny, těsně nad podlahou. Odtud je vytlačován do středu haly, ochlazuje podlahu od které se ohřívá. Při této příležitosti také ovívá lidi v hale. Téměř v celém objemu pak stoupá a je ohříván vytápěcím systémem, respektive se míchá se vzduchem z teplovzdušných jednotek. Rozlévá se pod stropem, ohřívá střechu, ochlazuje se a putuje ke stěnám, kde je nasáván sestupným proudem.

Nejhorších výsledků dosáhneme při vhánění teplého vzduchu z jednotlivých agregátů. Mohou to být parní nebo teplovodní výměníky, případně teplovzdušné jednotky.

Rozhodujícím momentem je teplota a počet jednotek. Dodavatelé jsou často pod tlakem konkurence a tak nabízejí co nejmenší počet jednotek o co největším výkonu. Vrcholem nehospodárnosti je instalace jednoho agregátu doprostřed haly o výkonu několik set kW, s vysokou výstupní teplotu. Pokud chcete teplovzdušné jednotky, volte raději větší počet o malém výkonu.

Na předchozím obrázku je zakótována délka proudu vzduchu při zbytkové rychlosti 1 m / s. Pravdou je, že při takovéto instalaci proud vzduchu nikdy zbytkové rychlosti nedosáhne. Stává se totiž součástí cirkulace vzduchu v hale a tak se vlastně nikdy nezastaví. Pokud by byla hala dvakrát širší, byla by i délka proudu dvakrát delší. Vzduchový proud se pohybuje pod střechou a pokud je strop hladký, většinou se zastaví až na protější stěně.

Délka proudu vzduchu z teplovzdušné jednotky je uváděna v různých prospektech, nicméně vysoké číslo je většinou na závadu. Pokud by to bylo tak, že jednotka dokáže promíchávat pracovní zónu do této vzdálenosti, byla by vyšší hodnota délky vzduchového proudu žádaná, ale musíme si uvědomit, že se vzduchový proud pohybuje převážně v horní části haly, o pracovní zónu jen lehce zavadí a tak nám toto číslo spíše charakterizuje mohutnost a rychlost vzduchového proudu. Čím je teplovzdušná jednotka větší, tím je proud vháněného vzduchu mohutnější a tím je větší jeho délka. Použití menšího počtu výkonnějších jednotek zhoršuje účinnost vytápění.

Každý topenář instinktivně a bez přemýšlení umístí radiátor pod okno. Moderní bytová výstavba vždy doplňuje francouzské okno kanálem v podlaze, v němž je konvertor na ohřívání vzduchu. Kanál v podlaze lemující obvod haly je k vidění u plaveckého bazénu a nebo u moderních prosklených společenských hal. I když je toto řešení nejefektivnější, průmyslová hala nemá takovou ziskovost jako business centrum a tak musíme kanálek oželet. Nicméně naší snahou je rozložit zdroj tepla rovnoměrně po obvodu haly do míst s minimální teplotou.

Kvalita vytápěcího systému záleží na rovnoměrném rozložení výkonu k místům s nejnižší teplotou v hale, tedy k podlaze u stěny.

Z tohoto hlediska je centrální vzduchotechnika nejúčinnějším nástrojem. Kromě dokonalého rozvedení teplého vzduchu, nám umožňuje optimalizovat teplotu vzduchu pro vytápění. Jednotlivé možnosti jsou podrobně popsány v popisu jednotlivých řešení. O tom jaký vliv na hospodárnost vytápění má snížení teploty vzduchu v rozvodech pojednává následující kapitola.